人工光合作用是近期可再生能源的研究熱點之一，據估計，發表的研究論文從 2010 年的 1.1 萬篇暴漲到 2017 年的 2.15 萬篇。目前人工光合作用的研究方向有兩個，一是將水分子分解為氫氣和氧氣，二是降解二氧化碳分子。美國能源部人工光合作用聯合研究中心作為人工光合作用的領軍研究機構之一，在水分子分解方面做得如此之出色，以至于科學家認為水分子分解領域已經成熟，應該把目光投向尚有開拓空間的二氧化碳降解。

按照這條思路，近日，日本科學家推出了一款基于二氧化鈦半導體、黃金薄膜和黃金納米顆粒的光電極。該光電極對可見光的吸收效率達到 85%，其光能-電能轉換效率比不使用黃金納米薄膜的光電極高 11 倍。這種光電極能以很高的效率將陽光轉化為可再生能源。

（來源：北海道大學）

在日本札幌北海道大學的研究人員與臺灣國立交通大學的研究人員于《自然·納米技術》雜志上合作發表的論文中，研究人員表示，在二氧化鈦等半導體表面簡單添加金納米顆粒無法達到他們期望的光吸收效率。

后來他們發現，提高光吸收效率的關鍵是構建一種三明治結構，即：用 100 納米厚的黃金薄膜和黃金納米顆粒作為外層，包裹二氧化鈦半導體構成的內層。當光照在三明治結構一側的納米金顆粒上時，另一側的黃金薄膜像一面鏡子，通過納米空腔捕獲光子，以便黃金納米顆粒能夠繼續吸收更多光子。

附加的黃金薄膜對于構成納米空腔非常關鍵，但黃金納米顆粒的等離子體效應，即光子撞擊金屬表面時黃金原子中的電子波動，同樣非常重要。

當黃金納米顆粒受到光子撞擊，產生與納米空腔等波長的表面等離子時，等離子和空腔之間產生強耦合，顯著提升光-電轉換效率。

不過，研究負責人，北海道大學教授三澤弘明（Hiroaki Misawa）承認，他們推出的光電極的高效率不能與其他水分子分解技術的效率進行簡單類比。

具體地，在黃金光電極技術中，如果半導體粒子數量充足，那么光吸收效率會顯著提升。不過，基于硅光電池的水分解系統之前就已經出現，這種系統對可見光的利用效率同樣很高。因此，目前難以比較黃金光電極技術和現有技術的效率。該研究的意義在于，能夠用如此至少的金屬——僅僅 30 納米厚的金屬-氧化物半導體電極，實現 85% 的可見光吸收效率。

未來，研究團隊準備進一步探究強耦合，以及等離子-電荷生成和分離的具體機理。他們還希望將光電極技術拓展到其他光能轉換領域，比如基于氨的光合作用技術，以及固態太陽能電池。