Photoélectrode capable de récolter 85% de la lumière visible

Anonim

Les scientifiques ont mis au point une photoélectrode capable de recueillir 85% de la lumière visible dans une couche semi-conductrice mince de 30 nanomètres entre les couches d'or, convertissant 11 fois plus efficacement l'énergie lumineuse que les méthodes précédentes.

Dans le but de réaliser une société durable, il existe une demande sans cesse croissante de développer des cellules solaires révolutionnaires ou des systèmes de photosynthèse artificielle qui utilisent l'énergie lumineuse visible du soleil tout en utilisant le moins de matériaux possible.

L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Hiroaki Misawa de l’Institut de recherche en sciences électroniques de l’Université de Hokkaido, a pour objectif de développer une photoélectrode capable de capter la lumière visible sur une large gamme spectrale en utilisant des nanoparticules d’or chargées sur un semi-conducteur. Mais la simple application d'une couche de nanoparticules d'or n'entraîne pas une absorption suffisante de la lumière, car elles n'absorbent la lumière que dans une gamme spectrale étroite.

Dans l'étude publiée dans Nature Nanotechnology, l'équipe de recherche a pris en sandwich un semi-conducteur, un film mince de dioxyde de titane de 30 nanomètres, entre un film d'or de 100 nanomètres et des nanoparticules d'or pour améliorer l'absorption de la lumière. Lorsque le système est irradié par la lumière provenant des nanoparticules d’or, le film d’or sert de miroir, piégeant la lumière dans une cavité située entre deux couches d’or et aidant les nanoparticules à absorber davantage de lumière.

À leur grande surprise, plus de 85% de toute la lumière visible a été récoltée par la photoélectrode, ce qui était beaucoup plus efficace que les méthodes précédentes. Les nanoparticules d'or sont connues pour présenter un phénomène appelé résonance plasmonique localisée qui absorbe une certaine longueur d'onde de la lumière. "Notre photoélectrode a créé avec succès une nouvelle condition dans laquelle le plasmon et la lumière visible piégés dans la couche d'oxyde de titane interagissent fortement, permettant à la lumière d'une large gamme de longueurs d'onde d'être absorbée par les nanoparticules d'or", explique Hiroaki Misawa.

Lorsque les nanoparticules d'or absorbent la lumière, l'énergie supplémentaire déclenche une excitation électronique dans l'or, qui transfère les électrons au semi-conducteur. «L’efficacité de la conversion de l’énergie lumineuse est 11 fois plus élevée que celle sans fonction de piégeage de la lumière», a expliqué M. Misawa. L'efficacité accrue a également conduit à une meilleure division de l'eau: les électrons ont réduit les ions hydrogène en hydrogène, tandis que les trous d'électrons restants ont oxydé l'eau pour produire de l'oxygène - un processus prometteur pour produire de l'énergie propre.

"En utilisant de très petites quantités de matière, cette photoélectrode permet une conversion efficace de la lumière solaire en énergie renouvelable, contribuant ainsi à la réalisation d'une société durable", ont conclu les chercheurs.

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