Новый метод сбора солнечной энергии появляется благодаря ученым с факультетов химии, химического машиностроения и материалов Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Хотя это исследование все еще находится в зачаточном состоянии, оно обещает преобразовать солнечный свет в энергию с помощью процесса, основанного на металлах, которые более надежны, чем многие полупроводники, используемые в традиционных методах.
Выводы исследователей опубликованы в последнем номере журнала Nature Nanotechnology.
"Это первая радикально новая и потенциально работоспособная альтернатива полупроводниковым солнечным преобразователям, которая была разработана за последние 70 лет или около того", - сказал Мартин Московиц, профессор химии в UCSB.
В обычных фотопроцессах, технологии, разработанной и используемой в прошлом столетии, солнечный свет падает на поверхность полупроводникового материала, одна сторона которого богата электронами, а другая нет. Фотон, или световая частица, возбуждает электроны, заставляя их покидать свои позиции и создавая положительно заряженные «дырки». Результатом является поток заряженных частиц, которые можно улавливать и доставлять для различных целей, включая питание лампочек, зарядку аккумуляторов или проведение химических реакций.
«Например, электроны могут заставить ионы водорода в воде превращаться в водород, топливо, в то время как дырки производят кислород», - сказал Московиц.
В технологии, разработанной Московитцем и его командой, не полупроводниковые материалы обеспечивают электроны и место для преобразования солнечной энергии, а наноструктурированные металлы - точнее, «лес» золотых наностержней.
Для этого эксперимента золотые наностержни были покрыты слоем кристаллического диоксида титана, украшенным наночастицами платины, и помещены в воду. Катализатор окисления на основе кобальта был нанесен на нижнюю часть массива.
«Когда наноструктуры, такие как наностержни, некоторых металлов подвергаются воздействию видимого света, электроны проводимости металла могут коллективно колебаться, поглощая большую часть света», - сказал Московиц. «Это возбуждение называется поверхностным плазмоном».
Поскольку «горячие» электроны в этих плазмонных волнах возбуждаются легкими частицами, некоторые из них перемещаются вверх по наностержню через слой фильтра из кристаллического диоксида титана и захватываются частицами платины. Это вызывает реакцию, которая отщепляет ионы водорода от связи, образующей воду. Тем временем дырки, оставленные возбужденными электронами, направляются к катализатору на основе кобальта в нижней части стержня, образуя кислород.
Согласно исследованию, выделение водорода стало отчетливо наблюдаться примерно через два часа. Кроме того, наностержни не подвергались фотокоррозии, которая часто приводит к выходу из строя традиционных полупроводниковых материалов за считанные минуты.
«Устройство работало без единого намека на отказ в течение многих недель», - сказал Московиц.
Плазмонный метод расщепления воды в настоящее время менее эффективен и более дорогостоящий, чем обычные фотопроцессы, но если прошлый век фотогальванических технологий что-то и показал, так это то, что дальнейшие исследования повысят стоимость и эффективность этого нового метода. - и, вероятно, за гораздо меньшее время, чем для полупроводниковой технологии, - сказал Московиц.
«Несмотря на недавнее открытие, мы уже достигли «приличной» эффективности. Что еще более важно, мы можем представить достижимые стратегии радикального повышения эффективности», - сказал он..
Исследования в рамках этого исследования также проводились исследователями с докторской степенью Сайедом Мубином и Джоун Ли; аспирантка Нирала Сингх; инженер по материалам Стефан Кремер; и профессор химии Гален Стаки.