金三明治可以让世界更具可持续性

科学家开发出一种光电极，可以在金层之间的30纳米薄半导体层中收集85%的可见光，比以前的方法转换光能的效率提高11倍。

在追求实现可持续发展的社会中，对开发革命性太阳能电池或人工光合作用系统的需求日益增长，这些太阳能电池或人工光合作用系统利用来自太阳的可见光能量，同时使用尽可能少的材料。

由北海道大学电子科学研究所的Hiroaki Misawa教授领导的研究团队一直致力于开发一种光电极，通过使用载在半导体上的金纳米粒子，可以在宽光谱范围内收集可见光。但仅仅施加一层金纳米颗粒并不能产生足够的光吸收量，因为它们仅在光谱范围窄的情况下接收光。

在Nature Nanotechnology发表的研究报告中，研究小组将一颗30纳米二氧化钛薄膜半导体夹在100纳米金薄膜和金纳米粒子之间，以增强光吸收。当系统被来自金纳米颗粒侧的光照射时，金膜作为镜子工作，将光捕获在两个金层之间的空腔中并帮助纳米颗粒吸收更多光。

令他们惊讶的是，超过85%的可见光是由光电极收获的，这比以前的方法效率更高。已知金纳米颗粒表现出称为局部等离子体共振的现象，其吸收特定波长的光。“我们的光电极成功地创造了一种新的条件，其中在氧化钛层中捕获的等离子体和可见光强烈地相互作用，允许具有宽波长范围的光被金纳米粒子吸收，”Hiroaki Misawa说。

当金纳米粒子吸收光时，额外的能量触发金中的电子激发，金将电子转移到半导体。“光能转换效率是没有光捕获功能的11倍，”Misawa解释说。提高的效率也导致水分裂增强：电子将氢离子还原为氢，而剩余的电子空穴氧化水产生氧气 – 这是一种产生清洁能源的有希望的过程。

“使用极少量的材料，这种光电极能够有效地将太阳光转化为可再生能源，进一步促进了可持续社会的实现，”研究人员总结道。