Samler lys med kunstige møløjne

Overalt i verden undersøger forskere solceller, der efterligner planters fotosyntese, bruge sollys og vand til at skabe syntetiske brændstoffer som brint. Empa-forskere har udviklet en sådan fotoelektrokemisk celle, genskabe et møløje for at øge dens lysindsamlingseffektivitet drastisk. Cellen er lavet af billige råvarer - jern og wolframoxid.

Rust – jernoxid – kan revolutionere solcelleteknologien. Dette normalt uønskede stof kan bruges til at lave fotoelektroder, som spalter vand og genererer brint. Sollys bliver derved direkte omdannet til værdifuldt brændstof i stedet for først at blive brugt til at generere elektricitet. Desværre, som råmateriale har jernoxid sine begrænsninger. Selvom det er ufatteligt billigt og absorberer lys i præcis det bølgelængdeområde, hvor solen udsender mest energi, den leder elektricitet meget dårligt og skal derfor bruges i form af en ekstremt tynd film, for at vandspaltningsteknikken kan fungere. Ulempen ved dette er, at disse tynde film absorberer for lidt af det sollys, der skinner på cellen.

Mikrosfærer til at opsamle sollys

Det er nu lykkedes Empa-forskerne Florent Boudoire og Artur Braun at løse dette problem. En speciel mikrostruktur på fotoelektrodeoverfladen samler sig bogstaveligt talt i sollys og slipper det ikke ud igen. Grundlaget for denne innovative struktur er bittesmå partikler af wolframoxid, som, på grund af deres mættede gule farve, kan også bruges til fotoelektroder. De gule mikrosfærer påføres en elektrode og dækkes derefter med et ekstremt tyndt lag af jernoxid i nanoskala. Når eksternt lys falder på partiklen, reflekteres det internt frem og tilbage, indtil alt lyset er absorberet. Al hele energien i strålen er nu tilgængelig til at bruge til at spalte vandmolekylerne.

I princippet fungerer den nyudtænkte mikrostruktur som et møls øje, forklarer Florent Boudoire. Øjnene på disse nataktive væsner har brug for at samle så meget lys som muligt for at se i mørket, og skal også reflektere så lidt som muligt for at undgå opdagelse og at blive spist af deres fjender. Mikrostrukturen af ​​deres øjne er specielt tilpasset den passende bølgelængde af lys. Empas fotoceller udnytter samme effekt.

For at genskabe kunstige møløjne fra metaloxidmikrosfærer, Florent Boudoire sprøjter en glasplade med en suspension af plastikpartikler, hver af dem indeholder i sit centrum en dråbe wolframsaltopløsning. Partiklerne ligger på glasset som et lag kugler pakket tæt op ad hinanden. Pladen anbringes i en ovn og opvarmes, plastikmaterialet brænder væk, og hver dråbe saltopløsning omdannes til den nødvendige wolframoxidmikrosfære. Det næste trin er at sprøjte den nye struktur med en jernsaltopløsning og igen opvarme den i en ovn.

Optager lys simuleret på computeren

Nu, man kunne fortolke disse blandinger, sprøjte- og brændeprocesser som ren alkymi – en række trin, der til sidst lykkes ved et rent tilfælde. Men parallelt med deres praktiske eksperimenter, forskerne har kørt beregninger, der modellerer processen på deres computere og har dermed været i stand til at simulere "opfangningen af ​​lys" i de små kugler. Resultaterne af simuleringen stemmer overens med de eksperimentelle observationer, som projektleder Artur Braun bekræfter. Det er tydeligt at se, hvor meget wolframoxidet bidrager til fotostrømmen, og hvor meget der skyldes jernoxidet. Også, jo mindre mikrokuglerne er, jo mere lys lander der på jernoxidet under de små kugler. Som et næste skridt planlægger forskerne at undersøge, hvad effekten af ​​flere lag af mikrosfærer, der ligger oven på hinanden, kan være. Arbejdet med møløje-solceller er stadig i gang!