Forschung -

Goldener Sandwich könnte die Welt nachhaltiger machen

Wissenschaftler entwickelten eine Fotoelektrode, die 85 Prozent des sichtbaren Lichts in einer 30 nm dünnen Halbleiterschicht zwischen Goldschichten ernten kann und zudem Lichtenergie 11-mal effizienter umwandelt als bisherige Verfahren.

Um eine nachhaltige Gesellschaft zu verwirklichen, steigt der Bedarf an revolutionären Solarzellen oder künstlichen Fotosynthesesystemen, die die Energie des sichtbaren Sonnenlichtes mit möglichst wenig Materialien nutzen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hiroaki Misawa vom 'Research Institute for Electronic Science' an der Hokkaido University hat sich zum Ziel gesetzt, eine Fotoelektrode zu entwickeln, die sichtbares Licht über einen weiten Spektralbereich hinweg ernten kann, und zwar mithilfe von Goldnanopartikeln, die auf einen Halbleiter eingelegt sind.

Aber das bloße Auftragen einer Schicht aus Goldnanopartikeln führte nicht zu einer ausreichenden Lichtabsorption, da sie Licht mit nur einem engen Spektralbereich aufnahmen.

In der in 'Nature Nanotechnology' veröffentlichten Studie positionierte das Forschungsteam einen Halbleiter, einen 30 nm Titandioxid-Dünnfilm, zwischen einem 100 nm Goldfilm und Goldnanopartikeln, um die Lichtabsorption zu verbessern.

Wenn das System mit Licht von der Seite der Goldnanopartikel aus bestrahlt wird, arbeitete der Goldfilm wie ein Spiegel, der das Licht in einem Hohlraum zwischen den zwei Goldschichten einfing und so den Nanopartikeln dabei hilft, mehr Licht aufzunehmen.

Zu ihrer Überraschung wurden mehr als 85 Prozent des gesamten sichtbaren Lichts von der Fotoelektrode geerntet, die weitaus effizienter war als bisherige Verfahren.

Goldnanopartikel weisen bekanntlich ein Phänomen auf, das als lokalisierte Plasmonresonanz bezeichnet wird, die eine bestimmte Wellenlänge des Lichts absorbiert.

"Unsere Fotoelektrode hat einen neuen Zustand geschaffen, bei dem Plasmon und sichtbares Licht, die in der Titanoxidschicht eingeschlossen sind, stark interagieren, wodurch Licht mit einem breiten Wellenlängenbereich von Goldnanopartikeln absorbiert werden kann", sagte Hiroaki Misawa.

Sobald Goldnanopartikel Licht absorbieren, löst die zusätzliche Energie eine Elektronenanregung im Gold aus, wodurch Elektronen zum Halbleiter übertragen werden. "Der Wirkungsgrad der Lichtenergieumwandlung ist 11-mal höher als ohne Lichtabsorptionsfunktionen", erklärte Misawa.

Die erhöhte Effizienz führte auch zu einer verbesserten Wasserspaltung: Die Elektronen reduzierten Wasserstoffionen zu Wasserstoff, während die verbleibenden Elektronenlöcher Wasser zu Sauerstoff oxidierten - ein vielversprechender Prozess zur Gewinnung sauberer Energie.

"Diese Fotoelektrode ermöglicht mit sehr geringen Materialmengen eine effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in erneuerbare Energien und trägt so zur Realisierung einer nachhaltigen Gesellschaft bei", so die Forscher abschließend.

Schrifttum: Misawa H. et al., Enhanced water splitting under modal strong coupling conditions. DOI: 10.1038/s41565-018-0208-x

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