Các nhà khoa học đã chế tạo được một điện cực quang có thể thu 85% ánh sáng nhìn thấy trong lớp bán dẫn mỏng 30nm nằm giữa các lớp vàng và chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng hiệu quả gấp 11 lần so với các phương pháp trước đây.

Trong công cuộc hiện thực hóa xã hội bền vững, nhu cầu chế tạo pin mặt trời đột phá hoặc các hệ thống quang hợp nhân tạo sử dụng năng lượng ánh sáng nhìn thấy từ mặt trời gia tăng chưa từng có, trong khi sử dụng ít vật liệu nhất có thể.

Nhóm nghiên cứu do GS Hiroaki Misawa tại Viện Nghiên cứu khoa học điện tử thuộc trường Đại học Hokkaido, đã đặt mục tiêu phát triển điện cực quang với khả năng thu ánh sáng nhìn thấy trên một phạm vi phổ rộng bằng cách sử dụng các hạt nano vàng gắn trên chất bán dẫn. Nhưng chỉ đơn thuần sử dụng một lớp hạt nano vàng không thể hấp thụ đủ lượng ánh sáng, vì chúng thu ánh sáng bằng dải quang phổ hẹp.

Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature Nanotechnology, các nhà khoa học đã kẹp một chất bán dẫn và một màng mỏng titan dioxit 30nm giữa một lớp vàng 100nm và các hạt nano vàng để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng. Khi hệ thống được chiếu sáng từ phía hạt nano vàng, thì lớp vàng hoạt động như một tấm gương, bẫy ánh sáng trong một khoang giữa hai lớp vàng và giúp các hạt nano hấp thụ nhiều ánh sáng hơn.

Nhóm nghiên cứu rất ngạc nhiên khi thấy điện cực quang thu được hơn 85% ánh sáng nhìn thấy, hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp trước đây. Các hạt nano vàng được biết với hiện tượng được gọi là cộng hưởng plasmon cục bộ, hấp thụ một bước sóng ánh sáng nhất định. Hiroaki Misawa cho biết: Điện cực quang của chúng tôi đã tạo ra một môi trường mới, trong đó, plasmon và ánh sáng nhìn thấy được bẫy trong lớp oxit titan phản ứng mạnh mẽ, cho phép ánh sáng có bước sóng phổ rộng được hấp thụ bởi các hạt nano vàng.

Khi các hạt nano vàng hấp thụ ánh sáng, năng lượng bổ sung sẽ kích thích điện tử trong vàng chuyển giao điện tử cho chất bán dẫn. Hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng cao hơn 11 lần so với các hạt nano không có chức năng bẫy ánh sáng, Misawa giải thích. Hiệu quả nâng lên cũng dẫn đến sự phân tách nước tăng cường: các điện tử khử các ion hydro thành hydro, trong khi các lỗ điện tử còn lại đã ôxy hóa nước để sản sinh oxy, một quá trình đầy triển vọng để tạo ra năng lượng sạch.

Các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận: Điện cực quang sử dụng rất ít vật liệu, cho phép chuyển đổi hiệu quả ánh nắng mặt trời thành năng lượng tái tạo, góp phần vào hiện thực hóa xã hội bền vững.

Nguồn: Nasati