Zwitserse onderzoekers zijn erin geslaagd om met een eenvoudig elektrochemisch proces zee-egelvormige nanostructuren te kweken uit minuscule bolletjes polystyreenkralen. De stekels van de zee-egel bestaan ​​uit nanodraden van zinkoxide. Het gestructureerde oppervlak moet de efficiëntie van fotovoltaïsche apparaten helpen verhogen.

Processen die materialen nieuwe eigenschappen verlenen, zijn over het algemeen gecompliceerd en daarom vaak moeilijk reproduceerbaar. Dus verbazing verandert in verbazing wanneer wetenschappers rapporteren over nieuwe methoden die niet alleen uitstekende resultaten opleveren, ondanks het feit dat ze economisch geprijsde uitgangsmaterialen gebruiken, maar die ook geen dure instrumenten nodig hebben.

Gewoon een eenvoudig frame gemaakt van polystyreen

Dit is precies wat Jamil Elias en Laetitia Philippe van Empa's Mechanics of Materials and Nanostructures Laboratory in Thun zijn gelukt. Ze gebruikten polystyreenbolletjes als een soort steiger om op verschillende substraten driedimensionale nanostructuren van halfgeleidend zinkoxide te maken. De twee wetenschappers zijn ervan overtuigd dat de (nanogestructureerde) "ruwe" maar regelmatig gestructureerde oppervlakken die ze op deze manier hebben geproduceerd, kunnen worden gebruikt in een reeks elektronische en opto-elektronische apparaten zoals zonnecellen en ook kortegolflasers, lichtemitterende diodes en veldemissiedisplays.

De wetenschappelijke wereld reageerde prompt. Het artikel waarin de resultaten werden gerapporteerd, werd in januari 2010 gepubliceerd in de online-editie van Geavanceerde materialen . In dezelfde maand werd het het meest gedownloade artikel, en in april werd het geselecteerd om op de Inside Front Cover van het tijdschrift te verschijnen.

Het principe achter het proces is vrij eenvoudig. Kleine bolletjes polystyreen met een diameter van enkele micrometers worden op een elektrisch geleidend oppervlak geplaatst waar ze zich in regelmatige patronen oriënteren. Polystyreen is goedkoop en alomtegenwoordig - het wordt veel gebruikt als verpakkingsmateriaal (bijvoorbeeld voor plastic yoghurtpotjes) of als isolatiemateriaal in geëxpandeerde vorm als gestold schuim.

Holle lichamen met stekels voor fotovoltaïsche toepassingen

De zo verankerde piepkleine bolletjes polystyreen vormen het sjabloon waarop de nanodraden worden afgezet. Jamil Elias is erin geslaagd een elektrochemische methode te gebruiken die hij zelf heeft ontwikkeld om de geleidbaarheid en elektrolytische eigenschappen van de polystyreenballen zodanig te variëren dat het zinkoxide zich op het oppervlak van de microbolletjes afzet. Na verloop van tijd groeien er reguliere nanodraden vanaf dit oppervlak, en wanneer dit proces is voltooid, wordt het polystyreen verwijderd, holle bolvormige structuren met stekels achterlatend - kleine zee-egels, als het ware! Strak verpakt op het onderliggende substraat, de zee-egels geven het een driedimensionale structuur, waardoor het oppervlak aanzienlijk wordt vergroot.

Dit nanogestructureerde oppervlak is voorbestemd voor gebruik in fotovoltaïsche toepassingen. De onderzoekers verwachten dat het uitstekende lichtverstrooiende eigenschappen zal hebben. Dit betekent dat het oppervlak aanzienlijk meer zonlicht kan opnemen en daardoor de uitgestraalde energie efficiënter kan omzetten in elektriciteit. In een project ondersteund door het Zwitserse Federale Bureau voor Energie (SFOE), Laetitia Philippe en haar onderzoeksteam ontwikkelen extreem dunne absorbers (ETA's) voor zonnecellen, op basis van deze zinkoxide nanostructuren.