Nanostrutture per una raccolta efficiente della luce
La separazione dell’acqua foto-elettrochimica è una strada molto promettente e rispettosa dell’ambiente per convertire l’energia solare in idrogeno. Tuttavia, la rapida ricombinazione di tipo massivo dei portatori di carica rimane il principale collo di bottiglia per migliorare ulteriormente l’efficienza di conversione. Nel progetto NFESEC (“Nanophotonics for efficient solar-to-H2 energy conversion”), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno sviluppato nuove nanoarchitetture fotoniche per migliorare generazione e separazione dei portatori di carica. Il bismuto vanadato (BiVO4) e le strutture plasmoniche sono capaci di utilizzare e confinare la luce su scala nanometrica, fornendo nuove opportunità per incrementare l’efficienza di conversione da solare a idrogeno. La principale ragione dietro alla dominante ricombinazione elettrone lacuna di tipo massivo è la breve distanza di diffusione dei portatori di carica foto-eccitati. Per affrontare questo problema, gli scienziati hanno condotto dei vasti studi sulla nanostrutturazione, con un’attenzione particolare sulla riduzione della distanza di propagazione del portatore di carica. Le strutture fotoniche come il BiVO4 possiedono una struttura di banda che è adatta per un possibile uso come fotoanodo nella separazione solare dell’acqua. I componenti plasmonici metallici che mostrano una forte risonanza plasmonica di superficie (SPR) possono agire da antenne che localizzano l’energia ottica e controllano la posizione della generazione dei portatori di carica. L’interazione dei campi elettrici circoscritti che circondano le particelle plasmoniche metalliche con un semiconduttore vicino fornisce una via per la formazione selettiva di coppie elettrone lacuna. Gli scienziati hanno unito opali inversi di BiVO4 con effetti SPR da nanoparticelle di oro, aumentando così l’assorbimento della luce e la separazione dei portatori di carica. Aggiungendo uno strato sottostante semiconduttore senza un pattern nella struttura dell’opale inverso, gli scienziati hanno bloccato la perdita di luce dovuta al riflesso. I nuovi fotoanodi di NFESEC avevano la densità più elevata tra quelli basati su ossidi e una densità quattro volte superiore a quella dei fotoanodi piani non strutturati. I risultati del progetto contribuiscono allo sviluppo di nuove strutture nanofotoniche con proprietà fisiche uniche capaci di raccogliere la luce solare in modo efficiente. Le nanoarchitetture dei nuovi fotoelettrodi sono sul punto di aumentare l’efficienza della conversione solare.
