Los científicos han desarrollado un fotoelectrodo que puede recolectar el 85 por ciento de la luz visible en una capa semiconductora delgada de 30 nanómetros entre las capas de oro, convirtiendo la energía de la luz 11 veces más eficiente que los métodos anteriores.
En la búsqueda de la realización de una sociedad sostenible, existe una demanda cada vez mayor de desarrollar células solares revolucionarias o sistemas de fotosíntesis artificiales que utilicen la energía de la luz visible del sol y utilicen la menor cantidad de materiales posible.
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Hiroaki Misawa del Instituto de Investigación de Ciencia Electrónica de la Universidad de Hokkaido, ha tenido como objetivo desarrollar un fotoelectrodo que pueda recoger la luz visible en un amplio rango espectral mediante el uso de nanopartículas de oro cargadas en un semiconductor. Pero simplemente la aplicación de una capa de nanopartículas de oro no condujo a una cantidad suficiente de absorción de la luz, ya que tomaron la luz con solo un estrecho rango espectral.
En el estudio publicado en Nature Nanotechnology , el equipo de investigación intercalaba un semiconductor, una película delgada de dióxido de titanio de 30 nanómetros, entre una película de oro de 100 nanómetros y nanopartículas de oro para mejorar la absorción de la luz. Cuando el sistema es irradiado por la luz del lado de la nanopartícula de oro, la película de oro funcionaba como un espejo, atrapando la luz en una cavidad entre dos capas de oro y ayudando a las nanopartículas a absorber más luz.
Izquierda: el fotoelectrodo recientemente desarrollado, un sándwich de capa de semiconductor (TiO2) entre la película de oro (película Au) y las nanopartículas de oro (Au NP). Las nanopartículas de oro fueron parcialmente incrustadas en la superficie de la película delgada de dióxido de titanio para mejorar la absorción de la luz. Derecha: El fotoelectrodo (Au-NP / TiO2 / Au-film) con 7nm de profundidad de incrustaciones atrapa la luz haciéndola no transparente (arriba). Una estructura Au-NP / TiO2 sin la película Au se muestra para comparación (abajo). (Misawa H. y col., Nature Nanotechnology , 30 de julio de 2018)
Para su sorpresa, más del 85 por ciento de toda la luz visible fue recolectada por el fotoelectrodo, que era mucho más eficiente que los métodos anteriores. Se sabe que las nanopartículas de oro exhiben un fenómeno llamado resonancia de plasmón localizado que absorbe una cierta longitud de onda de luz. «Nuestro fotoelectrodo creó con éxito una nueva condición en la que el plasmón y la luz visible atrapados en la capa de óxido de titanio interactúan fuertemente, permitiendo que la luz con un amplio rango de longitudes de onda sea absorbida por las nanopartículas de oro», dice Hiroaki Misawa.
Cuando las nanopartículas de oro absorben la luz, la energía adicional activa la excitación de electrones en el oro, que transfiere electrones al semiconductor. «La eficiencia de conversión de la energía luminosa es 11 veces mayor que la de aquellos que no tienen funciones de atrapamiento de luz», explicó Misawa. La eficiencia aumentada también condujo a una división del agua mejorada: los electrones redujeron los iones de hidrógeno a hidrógeno, mientras que los agujeros de electrones restantes oxidizaron el agua para producir oxígeno, un proceso prometedor para producir energía limpia.
«Usando cantidades muy pequeñas de material, este fotoelectrodo permite una conversión eficiente de la luz solar en energía renovable, lo que contribuye aún más a la realización de una sociedad sostenible», concluyeron los investigadores.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por HOKKAIDO UNIVERCITY
