Materiaalingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een verrassende ontdekking gedaan die de levensduur van apparaten voor het oogsten van zonne-energie drastisch zou kunnen verbeteren.

Dankzij de bevindingen konden ze de langste levensduur ooit bereiken voor een belangrijk onderdeel van sommige soorten fotovoltaïsche cellen, de foto-elektrochemische elektrode, die zonlicht gebruikt om water te splitsen in de samenstellende delen waterstof en zuurstof.

In een paper gepubliceerd op 24 juli, 2018, in het onderzoekstijdschrift Nano-letters , een team onder leiding van UW-Madison materiaalwetenschap en engineering Ph.D. student Yanhao Yu en zijn adviseur, Professor Xudong Wang, beschreef een strategie die de levensduur van een fotochemische elektrode verlengde tot maar liefst 500 uur - meer dan vijf keer de typische levensduur van 80 uur.

Gebruikelijk, dit soort elektroden zijn gemaakt van silicium, die water goed splitst, maar is zeer onstabiel en degradeert snel wanneer het in contact komt met corrosieve omstandigheden. Om deze elektroden te beschermen, ingenieurs coaten hun oppervlakken vaak dun.

Het is een tactiek die hun uiteindelijke storing alleen maar vertraagt ​​- soms na een paar dagen en soms binnen enkele uren.

"Prestaties variëren sterk en niemand weet echt waarom. Het is een grote vraag, " zegt Wang, een professor in materiaalkunde en techniek aan UW-Madison.

Intrigerend, de onderzoekers hebben niets veranderd aan het coatingmateriaal. Liever, ze verlengden de levensduur van de elektrode door een nog dunnere coating van titaniumdioxide aan te brengen dan normaal.

Met andere woorden, minder was echt meer.

De sleutel tot deze uitzonderlijke prestatie was de ontdekking van het team over de atomaire structuur van dunne films van titaniumdioxide, die de onderzoekers creëren met behulp van een techniek die atomaire laagafzetting wordt genoemd.

Eerder, onderzoekers geloofden dat de atomen in dunne films van titaniumdioxide een van de twee conformaties aannamen - ofwel vervormd en ongeordend in een staat die wordt aangeduid als "amorf, " of opgesloten in een regelmatig herhalende en voorspelbare ordening die de kristallijne vorm wordt genoemd.

Cruciaal, onderzoekers waren er zeker van dat alle atomen in een bepaalde dunne film zich op dezelfde manier gedroegen. Kristallijn of amorf. Zwart of wit. Geen tussendoortje.

Wat Wang-collega's vonden, echter, is een grijs gebied:ze zagen dat kleine holtes met een tussentoestand in de uiteindelijke coatings bleven bestaan ​​- de atomaire structuur in deze gebieden was niet amorf noch kristallijn. Deze tussenproducten zijn nog nooit eerder waargenomen.

"Dit is een voorloper op het gebied van materiaalsynthesewetenschap, " zegt Wang. "We denken dat kristallisatie niet zo eenvoudig is als mensen denken."

Het observeren van die tussenproducten was geen sinecure. Voer Wang's collega Paul Voyles, een microscopie-expert die gebruikmaakte van de unieke faciliteiten van UW-Madison om geavanceerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopiemetingen uit te voeren, waardoor hij de kleine structuren kon detecteren.

Vanaf daar, de onderzoekers bepaalden dat die tussenproducten de levensduur van dunne films van titaniumdioxide verkortten door te leiden tot pieken van elektronische stroom die kleine gaatjes in de beschermende coatings aten.

Het elimineren van die tussenproducten - en dus de levensduur van de coating verlengen - is net zo eenvoudig als het gebruik van een dunnere film.

Dunnere films maken het moeilijker voor tussenproducten om zich in de film te vormen, dus door de dikte met driekwart te verminderen (van 10 nanometer naar 2,5), de onderzoekers creëerden coatings die meer dan vijf keer langer meegaan dan traditionele coatings.

En nu ze deze eigenaardige structuren hebben ontdekt, de onderzoekers willen meer weten over hoe ze amorfe filmeigenschappen vormen en beïnvloeden. Dat is kennis die andere strategieën zou kunnen onthullen om ze te elimineren, wat niet alleen de prestaties zou kunnen verbeteren, zegt Wang, maar openen ook nieuwe kansen in andere energiegerelateerde systemen, zoals katalysatoren, zonnecellen en batterijen.

"Deze tussenproducten kunnen iets heel belangrijks zijn dat over het hoofd is gezien, ", zegt Wang. "Ze kunnen een kritisch aspect zijn dat de eigenschappen van de film controleert."