Het benutten van de energie van zonlicht kan zo simpel zijn als het afstemmen van de optische en elektronische eigenschappen van metaaloxiden op atomair niveau door een kunstmatig kristal of superrooster 'sandwich' te maken, zegt een onderzoeker van Binghamton University in een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

"Metaaloxiden zijn goedkoop, overvloedig en 'groen, ' zei Louis Piper, assistent-professor natuurkunde aan de Binghamton University. "En zoals de studie aantoonde, vrij veelzijdig. Met de juiste aanraking, metaaloxiden kunnen worden aangepast om aan allerlei behoeften te voldoen, wat goed nieuws is voor technologische toepassingen, specifiek in energieopwekking en flatscreens."

Hier is hoe het werkt:halfgeleiders zijn een belangrijke klasse van materialen tussen metalen en isolatoren. Ze worden bepaald door de grootte van hun band gap, die de energie vertegenwoordigt die nodig is om een ​​elektron van de bezette schil naar een onbezette schil te exciteren waar het elektriciteit kan geleiden. Zichtbaar licht bestrijkt een bereik van 1 (infrarood) tot 3 (ultraviolet) elektronvolt. Voor transparante geleiders, een grote bandgap is vereist, overwegende dat voor kunstmatige fotosynthese, er is een bandgap nodig die overeenkomt met groen licht. Metaaloxiden bieden een manier om de band gap aan te passen.

Maar hoewel metaaloxiden erg goed zijn in elektronengeleiding, het zijn zeer slechte "gat" geleiders. Gaten verwijzen naar de afwezigheid van elektronen, en kan een positieve lading geleiden. Om hun technologisch potentieel te maximaliseren, speciaal voor kunstmatige fotosynthese en onzichtbare elektronica, gatgeleidende metaaloxiden zijn vereist.

Dit wetende, Piper is begonnen met het bestuderen van gelaagde metaaloxidesystemen, die kunnen worden gecombineerd om selectief 'dope' te zijn (een klein aantal van één type atoom in het materiaal vervangen), of 'tune' (controleer de grootte van de band gap). Recent werk onthulde dat een superrooster van twee gatgeleidende koperoxiden het hele zonnespectrum zou kunnen bestrijken. Het doel is om de prestaties te verbeteren en tegelijkertijd milieuvriendelijke en goedkope metaalalternatieven te gebruiken.

Bijvoorbeeld, indiumoxide is een van de meest gebruikte oxiden die wordt gebruikt bij de productie van coatings voor flatscreens en zonnecellen. Het kan elektronen heel goed geleiden en is transparant. Maar het is ook zeldzaam en erg duur. Het huidige onderzoek van Piper is gericht op het gebruik van veel goedkopere tinoxidelagen om elektronen- en gatengeleiding met optische transparantie te krijgen.

Maar volgens Pijper zijn onderzoek toont aan dat één handschoen niet voor alle doeleinden geschikt is.

"Het wordt een kwestie van serieus speurwerk, " zei Piper. "We werken in een wereld waar natuurkunde en scheikunde elkaar overlappen. En we hebben de theoretische limiet van onze berekeningen en fundamentele processen bereikt. Nu moeten we die berekeningen controleren en zien waar we dingen missen. Ik denk dat we die ontbrekende stukjes zullen vinden door te spelen met metaaloxiden."

Door de 'goede delen' van metaaloxiden te versterken en de ruwe plekken te bagatelliseren, Piper is ervan overtuigd dat de ontwikkeling van nieuwe en opwindende soorten metaaloxiden die kunnen worden aangepast voor specifieke toepassingen, goed binnen ons bereik liggen.

"We hebben het over batterijopslag, brandstofcellen, touchscreen-technologie en alle soorten computerschakelaars, "zei Piper. "We zitten midden in een zeer belangrijke goudkoorts en het is heel opwindend om deel uit te maken van die race om het rijk te maken. Maar eerst moeten we uitzoeken wat we niet weten voordat we kunnen bedenken wat we doen. Eén ding is zeker:metaaloxiden houden de sleutel. En ik geloof dat wij van Binghamton University aan deze inspanningen kunnen bijdragen door goede wetenschap te bedrijven en een moreel bewuste benadering te volgen."