Över hela världen undersöker forskare solceller som imiterar växternas fotosyntes, använda solljus och vatten för att skapa syntetiska bränslen som väte. Empa-forskare har utvecklat en sådan fotoelektrokemisk cell, återskapa en nattfjärilsöga för att drastiskt öka dess ljusinsamlingseffektivitet. Cellen är gjord av billiga råvaror – järn och volframoxid.

Rost – järnoxid – skulle kunna revolutionera solcellstekniken. Detta vanligtvis oönskade ämne kan användas för att tillverka fotoelektroder som delar vatten och genererar väte. Solljus omvandlas därmed direkt till värdefullt bränsle snarare än att först användas för att generera el. Tyvärr, som råvara har järnoxid sina begränsningar. Även om det är otroligt billigt och absorberar ljus i exakt det våglängdsområde där solen avger mest energi, den leder elektricitet mycket dåligt och måste därför användas i form av en extremt tunn film för att vattenklyvningstekniken ska fungera. Nackdelen med detta är att dessa tunna filmer absorberar för lite av solljuset som skiner på cellen.

Mikrosfärer för att samla upp solljuset

Empa-forskarna Florent Boudoire och Artur Braun har nu lyckats lösa detta problem. En speciell mikrostruktur på fotoelektrodytan samlas bokstavligen i solljus och släpper inte ut det igen. Grunden för denna innovativa struktur är små partiklar av volframoxid som, på grund av deras mättade gula färg, kan även användas för fotoelektroder. De gula mikrosfärerna appliceras på en elektrod och täcks sedan med ett extremt tunt lager av järnoxid i nanoskala. När externt ljus faller på partikeln reflekteras det internt fram och tillbaka, tills allt ljus äntligen absorberas. All energi i strålen är nu tillgänglig för att dela vattenmolekylerna.

I princip fungerar den nyutformade mikrostrukturen som ögat på en mal, förklarar Florent Boudoire. Ögonen på dessa nattaktiva varelser behöver samla så mycket ljus som möjligt för att se i mörkret, och måste också reflektera så lite som möjligt för att undvika upptäckt och att bli uppäten av sina fiender. Mikrostrukturen i deras ögon är speciellt anpassad till den lämpliga ljusvåglängden. Empas fotoceller drar fördel av samma effekt.

För att återskapa konstgjorda malögon från metalloxidmikrosfärer, Florent Boudoire sprayar en glasskiva med en suspension av plastpartiklar, var och en av dem innehåller i mitten en droppe volframsaltlösning. Partiklarna ligger på glaset som ett lager kulor packade tätt intill varandra. Arket placeras i en ugn och värms upp, plastmaterialet bränns bort och varje droppe saltlösning omvandlas till den önskade volframoxidmikrosfären. Nästa steg är att spraya den nya strukturen med en järnsaltlösning och återigen värma den i en ugn.

Fånga ljus simulerat på datorn

Nu, man skulle kunna tolka denna blandning, sprutning och förbränningsprocesser som ren alkemi – en serie steg som till slut lyckas av en ren slump. Men parallellt med sina praktiska experiment, forskarna har kört beräkningar som modellerar processen på sina datorer och har på så sätt kunnat simulera "fångandet av ljus" i de små sfärerna. Resultaten av simuleringen överensstämmer med de experimentella observationerna, som projektledare Artur Braun bekräftar. Det är tydligt att se hur mycket volframoxiden bidrar till fotoströmmen och hur mycket som beror på järnoxiden. Också, ju mindre mikrosfärer desto mer ljus landar på järnoxiden under de små bollarna. Som nästa steg planerar forskarna att undersöka vad effekten kan vara av flera lager av mikrosfärer som ligger ovanpå varandra. Arbetet med mothöga solceller pågår fortfarande!