Over de hele wereld onderzoeken onderzoekers zonnecellen die de fotosynthese van planten nabootsen, zonlicht en water gebruiken om synthetische brandstoffen zoals waterstof te maken. Empa-onderzoekers hebben zo'n foto-elektrochemische cel ontwikkeld, het nabootsen van het oog van een mot om de efficiëntie van het verzamelen van licht drastisch te verhogen. De cel is gemaakt van goedkope grondstoffen:ijzer en wolfraamoxide.

Roest – ijzeroxide – kan een revolutie teweegbrengen in de zonneceltechnologie. Van deze meestal ongewenste stof kunnen foto-elektroden worden gemaakt die water splitsen en waterstof genereren. Zonlicht wordt daarbij direct omgezet in waardevolle brandstof in plaats van eerst te worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Helaas, als grondstof heeft ijzeroxide zijn beperkingen. Hoewel het ongelooflijk goedkoop is en licht absorbeert in precies het golflengtegebied waar de zon de meeste energie uitstraalt, het geleidt elektriciteit zeer slecht en moet daarom in de vorm van een extreem dunne film worden gebruikt om de watersplitsingstechniek te laten werken. Het nadeel hiervan is dat deze dunne films te weinig van het op de cel schijnende zonlicht absorberen.

Microsferen om het zonlicht op te vangen

Empa-onderzoekers Florent Boudoire en Artur Braun zijn er nu in geslaagd dit probleem op te lossen. Een speciale microstructuur op het oppervlak van de foto-elektrode verzamelt zich letterlijk in zonlicht en laat het er niet meer uit. De basis voor deze innovatieve structuur zijn minuscule deeltjes wolfraamoxide die, vanwege hun verzadigde gele kleur, kan ook worden gebruikt voor foto-elektroden. De gele microbolletjes worden op een elektrode aangebracht en vervolgens bedekt met een extreem dunne laag ijzeroxide op nanoschaal. Wanneer extern licht op het deeltje valt, wordt het intern heen en weer gereflecteerd, totdat uiteindelijk al het licht wordt geabsorbeerd. Alle energie in de bundel is nu beschikbaar om te gebruiken voor het splitsen van de watermoleculen.

In principe functioneert de nieuw ontworpen microstructuur als het oog van een mot, legt Florent Boudoire uit. De ogen van deze nachtactieve wezens moeten zoveel mogelijk licht verzamelen om in het donker te kunnen zien, en moeten ook zo min mogelijk reflecteren om te voorkomen dat ze worden ontdekt en opgegeten door hun vijanden. De microstructuur van hun ogen is speciaal aangepast aan de juiste golflengte van licht. De fotocellen van Empa profiteren van hetzelfde effect.

Om kunstmatige mottenogen te maken van metaaloxidemicrosferen, Florent Boudoire spuit een glasplaat met een suspensie van plastic deeltjes, die elk in het midden een druppel wolfraamzoutoplossing bevatten. De deeltjes liggen op het glas als een laag knikkers dicht op elkaar gepakt. Het blad wordt in een oven geplaatst en verwarmd, het plastic materiaal brandt weg en elke druppel zoutoplossing wordt omgezet in de benodigde wolfraamoxide microbolletjes. De volgende stap is om de nieuwe structuur te besproeien met een ijzerzoutoplossing en opnieuw te verwarmen in een oven.

Op de computer gesimuleerd licht vastleggen

Nutsvoorzieningen, men zou deze vermenging kunnen interpreteren, spuit- en verbrandingsprocessen als pure alchemie - een reeks stappen die uiteindelijk door puur toeval succesvol is. Maar parallel aan hun praktische experimenten, de onderzoekers hebben berekeningen uitgevoerd om het proces op hun computers te modelleren en hebben zo het "vangen van licht" in de kleine bollen kunnen simuleren. De resultaten van de simulatie komen overeen met de experimentele waarnemingen, zoals projectleider Artur Braun bevestigt. Het is duidelijk te zien hoeveel het wolfraamoxide bijdraagt ​​aan de fotostroom en hoeveel het gevolg is van het ijzeroxide. Ook, hoe kleiner de microbolletjes, hoe meer licht er op het ijzeroxide onder de bolletjes valt. Als volgende stap gaan de onderzoekers onderzoeken wat het effect is van meerdere lagen op elkaar liggende microbolletjes. Het werk aan zonnecellen van het mottenoog is nog in volle gang!