Para ilmuwan telah mengembangkan fotoelektroda yang dapat memanen 85 persen cahaya tampak dalam lapisan semikonduktor tipis 30 nanometer di antara lapisan emas, mengubah energi cahaya 11 kali lebih efisien daripada metode sebelumnya.
Dalam upaya mewujudkan masyarakat yang berkelanjutan, ada permintaan yang terus meningkat untuk mengembangkan sel surya revolusioner atau sistem fotosintesis buatan yang memanfaatkan energi cahaya tampak dari matahari namun dengan menggunakan bahan sesedikit mungkin.
Tim peneliti, yang dipimpin oleh Profesor Hiroaki Misawa dari Lembaga Penelitian untuk Ilmu Elektronik di Universitas Hokkaido, telah bertujuan untuk mengembangkan sebuah fotoelektroda yang dapat memanen cahaya tampak di kisaran spektrum luas dengan menggunakan nanopartikel emas yang dimuat pada semikonduktor. Tetapi hanya menerapkan lapisan nanopartikel emas saja tidak akan mengarah pada jumlah penyerapan cahaya yang cukup, karena mereka mengambil cahaya hanya dengan rentang spektral yang sempit.
Dalam studi yang dipublikasikan di Nature Nanotechnology, tim peneliti mengaplikasikan semikonduktor, film tipis titanium dioksida berukuran 30 nanometer, antara film emas 100 nanometer dan nanopartikel emas untuk meningkatkan penyerapan cahaya. Ketika sistem disinari oleh cahaya dari sisi nanopartikel emas, film emas bekerja sebagai cermin, menjebak cahaya dalam rongga antara dua lapisan emas dan membantu nanopartikel menyerap lebih banyak cahaya.
Yang mengejutkan, lebih dari 85 persen dari semua cahaya tampak dipanen oleh fotoelektroda, yang jauh lebih efisien daripada metode sebelumnya. Nanopartikel emas diketahui menunjukkan fenomena yang disebut resonansi plasmon lokal yang menyerap panjang gelombang cahaya tertentu. “fotoelektroda kami berhasil menciptakan kondisi baru di mana plasmon dan cahaya tampak terperangkap di lapisan titanium oksida sangat berinteraksi, memungkinkan cahaya dengan berbagai panjang gelombang untuk diserap oleh nanopartikel emas,” kata Hiroaki Misawa.
Ketika nanopartikel emas menyerap cahaya, energi tambahan memicu eksitasi elektron di emas, yang mentransfer elektron ke semikonduktor. “Efisiensi konversi energi cahaya 11 kali lebih tinggi daripada yang tidak memiliki fungsi menjebak cahaya,” kata Misawa. Efisiensi yang ditingkatkan juga menyebabkan pemisahan air yang lebih ditingkatkan: elektron mengurangi ion hidrogen menjadi hidrogen, sementara lubang elektron yang tersisa mengoksidasi air untuk menghasilkan oksigen – proses yang menjanjikan untuk menghasilkan energi bersih.
“Dengan menggunakan bahan dalam jumlah sangat sedikit, fotoelektroda ini memungkinkan konversi sinar matahari menjadi energi terbarukan secara efisien, yang selanjutnya berkontribusi pada terwujudnya masyarakat yang berkelanjutan,” para peneliti menyimpulkan.
