Ржавчина — оксид железа — может произвести революцию в технологии солнечных батарей. Это обычно нежелательное вещество можно использовать для изготовления фотоэлектродов, которые расщепляют воду и выделяют водород.
Таким образом, солнечный свет напрямую превращается в ценное топливо, а не используется сначала для выработки электроэнергии. К сожалению, оксид железа в качестве исходного материала имеет свои ограничения. Хотя он невероятно дешев и поглощает свет именно в том диапазоне длин волн, где солнце излучает больше всего энергии, он очень плохо проводит электричество и поэтому должен использоваться в виде чрезвычайно тонкой пленки, чтобы метод расщепления воды работал.
Недостатком этого является то, что эти тонкие пленки поглощают слишком мало солнечного света, падающего на ячейку.Микросферы для сбора солнечного света
Исследователи Empa Флоран Будуар и Артур Браун смогли решить эту проблему. Специальная микроструктура на поверхности фотоэлектрода буквально собирается на солнечном свете и не выпускает его снова. Основой этой инновационной структуры являются крошечные частицы оксида вольфрама, которые из-за их насыщенного желтого цвета также могут использоваться для фотоэлектродов.
Желтые микросферы наносятся на электрод, а затем покрываются чрезвычайно тонким наноразмерным слоем оксида железа. Когда внешний свет падает на частицу, она внутренне отражается взад и вперед, пока, наконец, весь свет не будет поглощен. Вся энергия луча теперь доступна для расщепления молекул воды.
В принципе, новая микроструктура функционирует как глаз мотылька, — объясняет Флоран Будуар.Глаза этих активных ночных существ должны собирать как можно больше света, чтобы видеть в темноте, а также должны отражать как можно меньше, чтобы их враги не обнаружили и не съели их.
Микроструктура их глаз особенно адаптирована к соответствующей длине волны света. Фотоэлементы Empa обладают тем же эффектом. Чтобы воссоздать искусственные глаза моли из микросфер оксида металла, Флоран Будуар распыляет на лист стекла суспензию пластиковых частиц, каждая из которых содержит в центре каплю раствора соли вольфрама.
Частицы лежат на стекле, как слой мрамора, плотно прилегающих друг к другу. Лист помещается в печь и нагревается, пластик выгорает, и каждая капля солевого раствора превращается в необходимую микросферу оксида вольфрама. Следующим шагом будет опрыскивание новой конструкции раствором соли железа и еще раз нагревание в духовке.«Захват света», смоделированный на компьютере
Теперь можно интерпретировать эти процессы смешивания, распыления и сжигания как чистую алхимию — серию шагов, которая в конечном итоге оказывается успешной по чистой случайности. Однако параллельно с практическими экспериментами исследователи проводили расчеты, моделируя этот процесс на своих компьютерах, и, таким образом, смогли смоделировать «захват света» в крошечных сферах. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными наблюдениями, как подтверждает руководитель проекта Артур Браун.
Понятно, насколько оксид вольфрама вносит вклад в фототок, а какой — за счет оксида железа. Кроме того, чем меньше микросферы, тем больше света попадает на оксид железа под крошечными шариками. В качестве следующего шага исследователи планируют изучить влияние нескольких слоев микросфер, лежащих друг на друге.
Работа над солнечными элементами типа «глаз мотылька» все еще продолжается.