Eine Solarzelle wie ein Mottenauge

Rost sieht man nicht gerne – vor allem nicht am Auto oder auf der Velokette. Doch Rost, also Eisenoxid, könnte gemäss der Empa die Solartechnik revolutionieren.

Bruno Knellwolf
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Licht fangen wie eine Motte. (Bild: Empa)

Licht fangen wie eine Motte. (Bild: Empa)

Rost sieht man nicht gerne – vor allem nicht am Auto oder auf der Velokette. Doch Rost, also Eisenoxid, könnte gemäss der Empa die Solartechnik revolutionieren.

Soll Licht zu Energie werden, muss es in einem Material absorbiert werden. Das geschieht, indem Atome oder Moleküle durch das Licht in höhere Energiezustände gebracht werden. Die aufgenommene Energie kann danach wieder abgegeben werden. In den meisten Materialien wird das absorbierte Licht zu Wärme. In herkömmlichen Solarzellen wird das Licht nicht in Wärme, sondern in Elektrizität umgewandelt. Nochmals etwas anderes macht die Mottenaugen-Solarzelle der Empa: Sie wandelt Sonnenenergie direkt in den wertvollen Brennstoff Wasserstoff um. Das ist Empa-Forschern mit Hilfe von Rost gelungen. Denn dieses Eisenoxid hat seine grossen Vorteile: Es absorbiert genau in dem Wellenlängenbereich, in dem die Sonne am meisten Licht aussendet. Und aus Rost lassen sich Fotoelektroden herstellen, die Wasser spalten und dadurch Wasserstoff erzeugen.

Ein schlechter Stromleiter

Rost würde sich also als Material sehr eignen. Doch leider leitet Eisenoxid den elektrischen Strom sehr schlecht. Deshalb muss er für diesen Prozess in äusserst dünne Filme verarbeitet werden, damit die Wasserspaltung für die Wasserstoff-Gewinnung funktioniert. Dummerweise absorbieren diese dünnen Filme zu wenig vom eingestrahlten Sonnenlicht.

Genau dieses Problem haben die Empa-Forscher gelöst: Eine spezielle Mikrostruktur der Fotoelektrode fängt das Licht ein und lässt es nicht mehr heraus, bis es komplett absorbiert ist. Das ist möglich dank winziger Partikel aus Wolframoxid. Diese werden zu Wolframoxid-Kügelchen gemacht und mit einer nanometerdünnen Schicht Eisenoxid überzogen.

Gefangenes Licht

Fällt von aussen Licht auf die Partikel, wird es innen mehrfach hin und her reflektiert, bis alles Licht absorbiert ist. Dann steht die gesamte Energie für die Spaltung von Wassermolekülen bereit. Das Licht ist also in den von Rost überdeckten Wolframoxid-Kügelchen eingefangen worden, weshalb mit der Fotozelle aus Wasser Wasserstoff erzeugt werden kann.

Die neue erdachte Mikrostruktur funktioniert gemäss der Empa wie das Auge einer Motte. Die Augen von Nachtfaltern müssen viel Licht einsammeln, und dürfen so wenig wie möglich reflektieren – blitzt das Licht in seinen Augen, wird der Falter von Feinden gesehen und bald gefressen. Die Mikrostruktur des Mottenauges ist deshalb speziell auf die Wellenlänge des Lichts angepasst. Die vorgestellte Fotozelle der Empa nutzt den gleichen Effekt für die Mottenaugen-Solarzelle.

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