과학자들은 금 층 사이의 30 나노 미터 두께의 반도체 층에서 가시 광선의 85 퍼센트를 수확할 수 있는 광 전극을 개발하여 이전 방법보다 빛 에너지를 11 배 효율적으로 변환했다.

지속 가능한 사회를 실현하기 위해 가능한 한 적은 물질을 사용하면서 태양으로부터 가시 광선 에너지를 이용하는 혁신적인 태양 전지 또는 인공 광합성 시스템을 개발해야 한다는 요구가 날로 커지고 있다.

홋카이도 대학 전자 과학 연구소의 미사와 히로아키 (Hirosaki Misawa) 교수가 이끄는 연구팀은 반도체 위에 덮힌 금 나노 입자를 사용하여 넓은 스펙트럼 범위에서 가시 광선을 수확할 수 있는 광 전극을 개발하는 것을 목표로 삼았다. 그러나 금 나노 입자 층을 적용하는 것만으로는 좁은 스펙트럼 범위에서만 빛을 흡수했기 때문에 충분한 양의 빛을 흡수하지 못했다.

네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, ("Enhanced water splitting under modal strong coupling conditions")에 발표된 연구에서, 연구팀은 빛 흡수를 강화하기 위해 100 나노 미터 금 박막과 금 나노 입자 사이에 반도체, 30 나노 미터 이산화 티탄 박막을 삽입했다. 시스템이 금 나노 입자 측으로 부터 빛에 의해 조사될 때, 금 필름은 두 개의 금층 사이의 공동에 빛을 갇히고 나노 입자가 더 많은 빛을 흡수하도록 돕는 거울로 작용했다.

놀랍게도, 모든 가시 광선의 85 % 이상이 이전의 방법보다 훨씬 효율적인 광 전극에 의해 수확되었다. 금 나노 입자는 특정 파장의 빛을 흡수하는 국부화된 플라즈몬 공명 (localized plasmon resonance )이라 불리는 현상을 나타내는 것으로 알려져 있다. 연구팀의 광 전극은 산화 티타늄 층에 포획된 플라즈몬과 가시 광선이 강하게 상호 작용하여 넓은 범위의 파장을 갖는 빛을 금 나노 입자가 흡수할 수 있게 하는 새로운 조건을 성공적으로 만들었다.

금 나노 입자가 빛을 흡수할 때, 추가 에너지는 전자를 반도체에 전달하는 금에서 전자 여기를 유발한다. 빛의 에너지 변환 효율은 빛을 포집하는 기능이 없는 것보다 11 배 더 높다. 증대된 효율은 또한 물 분리를 향상시켰다. 전자는 수소 이온을 수소로 환원시켰고 나머지 전자 홀은 물을 산화시켜 산소를 생성시켰다. 이는 청정 에너지를 생산하는 유망한 공정이었다.

연구팀은 매우 적은 양의 물질을 사용하여, 이 광 전극은 햇빛을 재생 가능한 에너지로 효율적으로 전환시켜 지속 가능한 사회를 실현하는데 기여할 것으로 기대하고 있다.