科学家发现黄金纳米材料光电极可高效吸收可见光

人工光合作用是近期可再生能源的研究热点之一，据估计，发表的研究论文从 2010 年的 1.1 万篇暴涨到 2017 年的 2.15 万篇。目前人工光合作用的研究方向有两个，一是将水分子分解为氢气和氧气，二是降解二氧化碳分子。美国能源部人工光合作用联合研究中心作为人工光合作用的领军研究机构之一，在水分子分解方面做得如此之出色，以至于科学家认为水分子分解领域已经成熟，应该把目光投向尚有开拓空间的二氧化碳降解。

按照这条思路，近日，日本科学家推出了一款基于二氧化钛半导体、黄金薄膜和黄金纳米颗粒的光电极。该光电极对可见光的吸收效率达到 85%，其光能-电能转换效率比不使用黄金纳米薄膜的光电极高 11 倍。这种光电极能以很高的效率将阳光转化为可再生能源。

在日本札幌北海道大学的研究人员与台湾国立交通大学的研究人员于《自然·纳米技术》杂志上合作发表的论文中，研究人员表示，在二氧化钛等半导体表面简单添加金纳米颗粒无法达到他们期望的光吸收效率。

后来他们发现，提高光吸收效率的关键是构建一种三明治结构，即：用 100 纳米厚的黄金薄膜和黄金纳米颗粒作为外层，包裹二氧化钛半导体构成的内层。当光照在三明治结构一侧的纳米金颗粒上时，另一侧的黄金薄膜像一面镜子，通过纳米空腔捕获光子，以便黄金纳米颗粒能够继续吸收更多光子。

附加的黄金薄膜对于构成纳米空腔非常关键，但黄金纳米颗粒的等离子体效应，即光子撞击金属表面时黄金原子中的电子波动，同样非常重要。

当黄金纳米颗粒受到光子撞击，产生与纳米空腔等波长的表面等离子时，等离子和空腔之间产生强耦合，显著提升光-电转换效率。

不过，研究负责人，北海道大学教授三泽弘明（Hiroaki Misawa）承认，他们推出的光电极的高效率不能与其他水分子分解技术的效率进行简单类比。

具体地，在黄金光电极技术中，如果半导体粒子数量充足，那么光吸收效率会显著提升。不过，基于硅光电池的水分解系统之前就已经出现，这种系统对可见光的利用效率同样很高。因此，目前难以比较黄金光电极技术和现有技术的效率。该研究的意义在于，能够用如此至少的金属——仅仅 30 纳米厚的金属-氧化物半导体电极，实现 85% 的可见光吸收效率。

未来，研究团队准备进一步探究强耦合，以及等离子-电荷生成和分离的具体机理。他们还希望将光电极技术拓展到其他光能转换领域，比如基于氨的光合作用技术，以及固态太阳能电池。

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