{"id":21088,"date":"2014-06-24T02:02:43","date_gmt":"2014-06-24T00:02:43","guid":{"rendered":"http:\/\/www.innovations-report.de\/html\/berichte\/materialwissenschaften\/kuenstliches-mottenauge-als-lichtfaenger-wasserstoffproduktion-mit-sonnenlicht.html"},"modified":"2014-06-23T12:39:54","modified_gmt":"2014-06-23T10:39:54","slug":"kunstliches-mottenauge-als-lichtfanger","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kunstliches-mottenauge-als-lichtfanger\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliches Mottenauge als Lichtf\u00e4nger"},"content":{"rendered":"

Weltweit forschen Wissenschaftler an Solarzellen, die die Photosynthese der Pflanzen nachahmen und aus Sonnenlicht und Wasser synthetische Brennstoffe wie Wasserstoff bilden. Empa-Forscher haben nun eine solche photoelektrochemische Zelle dem Mottenauge nachempfunden und dadurch die Lichtausbeute drastisch erh\u00f6ht.<\/strong><\/p>\n

Eisenoxid, also Rost, k\u00f6nnte die Solartechnik revolutionieren: Aus dem (meist unerw\u00fcnschten) Stoff lassen sich Photoelektroden herstellen, die Wasser spalten und dadurch Wasserstoff erzeugen. So wird Sonnenenergie nicht erst in Elektrizit\u00e4t, sondern direkt in einen wertvollen Brennstoff umgewandelt. Leider hat das Ausgangsmaterial so seine T\u00fccken: Eisenoxid ist zwar unschlagbar billig und absorbiert genau in dem Wellenl\u00e4ngenbereich, in dem die Sonne am meisten Licht aussendet. Doch es leitet elektrischen Strom sehr schlecht und muss daher immer in Form \u00e4usserst d\u00fcnner Filme verarbeitet werden, damit die Wasserspaltung funktioniert. Der Nachteil: Diese d\u00fcnnen Filme absorbieren zu wenig vom eingestrahlten Sonnenlicht.<\/p>\n

Mikrok\u00fcgelchen fangen das Sonnenlicht ein<\/h3>\n

Den Empa-Forschern Florent Boudoire und Artur Braun ist es nun gelungen, dieses Problem zu l\u00f6sen: Eine spezielle Mikrostruktur der Photoelektrode f\u00e4ngt das Licht buchst\u00e4blich ein und l\u00e4sst es nicht mehr heraus. Die Grundlage f\u00fcr diese innovative Struktur bilden winzige Partikel aus Wolframoxid, das wegen seiner satten, gelben Farbe ebenfalls f\u00fcr Photoelektroden benutzt werden kann. Die gelben K\u00fcgelchen werden auf einer Elektrode aufgetragen und dann mit einer hauchd\u00fcnnen (nanoskaligen) Schicht Eisenoxid \u00fcberzogen. F\u00e4llt von aussen Licht auf die Partikel, wird es innen mehrfach hin und her reflektiert. Schliesslich ist alles Licht absorbiert, und die gesamte Energie steht f\u00fcr die Spaltung von Wassermolek\u00fclen zur Verf\u00fcgung. Auf diese Weise erzeugt die Photozelle aus Wasser den \u00f6kologisch vorteilhaften Brennstoff Wasserstoff.<\/p>\n

Im Grunde funktioniere die neu erdachte Mikrostruktur wie das Auge einer Motte, erkl\u00e4rt Florent Boudoire: Die Augen von Nachtfaltern m\u00fcssen viel Licht einsammeln \u2013 und d\u00fcrfen so wenig wie m\u00f6glich reflektieren, sonst wird der Falter entdeckt und gefressen. Die Mikrostruktur dieser Augen ist speziell auf die Wellenl\u00e4nge des Lichts angepasst. Die Photozelle der Empa nutzt den gleichen Effekt.<\/p>\n

Um k\u00fcnstliche Mottenaugen aus Metalloxidk\u00fcgelchen herzustellen, bespr\u00fchte Florent Boudoire eine Glasscheibe mit einer Suspension aus Kunststoffpartikeln, die in ihrem Inneren jeweils ein Tr\u00f6pfchen Wolframsalzl\u00f6sung enthielten. Die Partikel bedecken das Glas wie eine Schicht Murmeln, die dicht aneinander liegen. Dann steckte er das Ganze in den Ofen; der Kunststoff verbrennt, und aus den einzelnen Tr\u00f6pfchen der Salzl\u00f6sung entstehen die gew\u00fcnschten Wolframoxidk\u00fcgelchen. In einem weiteren Spr\u00fchvorgang wird diese Struktur mit Eisensalz \u00fcberzogen und erneut im Ofen erhitzt.<\/p>\n

\u00abEinfangen des Lichts\u00bb am Computer simuliert<\/h3>\n

Nun k\u00f6nnte man das Mixen, Spr\u00fchen und Brennen f\u00fcr reine Alchemie halten \u2013 f\u00fcr eine Versuchsreihe, die Zufallstreffer erzielt. Doch parallel zu ihren Experimenten haben die Forscher Modellrechnungen am Computer durchgef\u00fchrt und das \u00abEinfangen des Lichts\u00bb in den K\u00fcgelchen am Computer simuliert. Das Ergebnis der Simulationen stimmte mit den Versuchen \u00fcberein, wie Projektleiter Artur Braun best\u00e4tigt. Es ist klar zu erkennen, wie viel das Wolframoxid zum Photostrom beitr\u00e4gt und wie viel das Eisenoxid. Und: je kleiner die K\u00fcgelchen sind, desto mehr Licht landet auf dem Eisenoxid, das die K\u00fcgelchen \u00fcberdeckt. In einem n\u00e4chsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, welche Effekte mehrere \u00fcbereinander liegende Schichten von K\u00fcgelchen ausl\u00f6sen k\u00f6nnen. Die Arbeit an der Mottenaugen-Solarzelle geht also weiter.<\/p>\n

Literaturhinweis:<\/h3>\n

Florent Boudoire, Rita Toth, Jakob Heier, Artur Braun, Edwin C. Constable, Photonic light trapping in self-organized all-oxide microspheroids impacts photoelectrochemical water splitting, Energy & Environmental Sciences, in press.<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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