Nanostruktury dla wydajnego pozyskiwania światła
Foto-elektrochemiczne rozszczepianie wody to bardzo obiecująca, przyjazna środowisku droga konwersji energii słonecznej w wodór. Jednak szybka rekombinacja objętościowa nośników ładunku pozostaje głównym ograniczeniem dla dalszej poprawy wydajności konwersji. W ramach projektu "Nanophotonics for efficient solar-to-H2 energy conversion" (NFESEC), finansowanego ze środków UE, naukowcy opracowali nowe nanostruktury fotonowe celem poprawy generowania i separacji nośników ładunku. Wanadan bizmutu (BiVO4) i struktury plazmonowe potrafią manipulować i skupiać światło w skali nanometru, oferując tym samym nowe możliwości zwiększania wydajności konwersji światła słonecznego w wodór. Głównym powodem dominacji rekombinacji objętościowej elektron-dziura jest mała długość drogi dyfuzji fotowzbudzanych nośników ładunku. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy przeprowadzili szeroko zakrojone badania nad nanostrukturami, ze szczególnym uwzględnieniem skrócenia długości drogi dyfuzji nośnika ładunku. Struktury fotonowe, takie jak BiVO4, posiadają budowę pasmową, odpowiednią do tego, aby można je było z powodzeniem wykorzystać jako fotoanodę do rozszczepiania wody światłem słonecznym. Główne elementy budulcowe, jakimi są plazmony w nanocząsteczce metalicznej, wykazujące silny powierzchniowy rezonans plazmowy (SPR) mogą działać jako anteny lokalizujące energię optyczną i kontrolować miejsce generowania nośników ładunku. Interakcja zlokalizowanych pół elektrycznych otaczających plazmony w cząsteczce metalu z sąsiadującym półprzewodnikiem oferuje szlak dla selektywnego tworzenia par elektron-dziura. Naukowcy połączyli BiVO4 o strukturze odwróconego opalu z efektem SPR z nanocząsteczek złota, wzmacniając absorpcję światła i separację nośnika ładunku. Poprzez dodanie półprzewodnika bez wzoru odpowiadającego strukturze odwróconego opalu, naukowcy zablokowali utratę światła na skutek efektu odbicia. Nowe fotoanody, powstałe w ramach projektu NFESEC, posiadały największą gęstość spośród wszystkich fotoanod na bazie tlenków i ponad czterokrotnie większą niż nieustrukturyzowane planarne fotoanody. Wyniki projektu przyczynią się do rozwoju nowych struktur nanofotonowych o wyjątkowych właściwościach fizycznych, zdolnych do wydajnego pozyskiwania światła słonecznego. Nanostruktura nowych fotoelektrod ma za zadanie zwiększyć wydajność konwersji światła słonecznego.
