Les scientifiques ont développé une photoélectrode qui peut récolter 85 pour cent de la lumière visible dans une couche semi-conductrice fine de 30 nanomètres entre les couches d'or, convertir l'énergie lumineuse 11 fois plus efficacement que les méthodes précédentes.

Dans la poursuite de la réalisation d'une société durable, il existe une demande toujours croissante pour 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, dirigé par le professeur Hiroaki Misawa de l'Institut de recherche en sciences électroniques de l'Université d'Hokkaido, a cherché à développer une photoélectrode capable de récolter la lumière visible dans 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'a pas conduit à une absorption lumineuse suffisante, parce qu'ils n'ont capté la lumière qu'avec une plage spectrale étroite.

Dans l'étude publiée dans Nature Nanotechnologie , 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 du côté des nanoparticules d'or, le film d'or a fonctionné comme un miroir, piéger la lumière dans une cavité entre deux couches d'or et aider les nanoparticules à absorber plus de lumière.

A leur grande surprise, plus de 85 pour cent 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 réussi à créer 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 avec une large gamme de longueurs d'onde d'être absorbée par les nanoparticules d'or, " dit Hiroaki Misawa.

Lorsque les nanoparticules d'or absorbent la lumière, l'énergie supplémentaire déclenche l'excitation des électrons dans l'or, qui transfère des électrons au semi-conducteur. "L'efficacité de conversion de l'énergie lumineuse est 11 fois plus élevée que celles sans fonctions de piégeage de la lumière, " Misawa a expliqué. 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 oxydaient 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, contribuer davantage à la réalisation d'une société durable, " ont conclu les chercheurs.