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Künstliches Mottenauge wird Lichtfänger

Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt haben mit einer speziellen Oberflächenstruktur die photoelektrische Wasserspaltung mit Eisenoxid und Wolfram durchgeführt. Sie haben eine photoelektrochemische Zelle dem Mottenauge nachempfunden und dadurch die Lichtausbeute drastisch erhöht.

Forscher des Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt haben die Möglichkeiten der photoelektrische Trennung von Wasser in seine molekularen Bestandteile vorangetrieben. Vor allem haben sie ein Problem offensichtlich gelöst. Das bisher eingesetzte und teure Titanoxid haben sie durch Eisenoxid ersetzt. Das unschlagbar billige Material absorbiert das Licht genau in dem Wellenbereich, in dem die Sonne am meisten Licht aussendet. Doch hat das Material einen entscheidenden Nachteil: Es leitet den elektrischen Strom nur sehr schlecht. Deshalb muss es in hauchdünnen Schichten aufgetragen werden, was den eigentlichen Vorteil zunichte macht. Denn die extrem dünnen Schichten absorbieren zu wenig vom eingestrahlten Licht.

Oberflächenstruktur verändert

Dieses Dilemma haben die Schweizer Forscher damit gelöst, dass sie die Oberflächenstruktur der Solarzelle verändert haben. Florent Boudoire und Artur Braun haben eine spezielle Mikrostruktur entwickelt, die das Licht buchstäblich einfängt und nicht mehr aus der Zelle heraus lässt. Die Grundlage für diese innovative Struktur bilden winzige Partikel aus Wolframoxid, das wegen seiner satten, gelben Farbe ebenfalls für Photoelektroden benutzt werden kann. Die gelben Kügelchen werden auf einer Elektrode aufgetragen und dann mit einer hauchdünnen Schicht Eisenoxid überzogen. Fällt von außen Licht auf die Partikel, wird es in innen mehrfach hin und her reflektiert. Schließlich ist alles Licht absorbiert, und die gesamte Energie steht für die Spaltung von Wassermolekülen zur Verfügung. Auf diese Weise erzeugt die Photozelle aus Wasser den ökologisch vorteilhaften Brennstoff Wasserstoff. „Im Grunde funktioniert die neu erdachte Mikrostruktur wie das Auge einer Motte“, erklärt Florent Boudoire. „Die Augen von Nachtfaltern müssen viel Licht einsammeln und dürfen so wenig wie möglich reflektieren, sonst wird der Falter entdeckt und gefressen. Die Mikrostruktur dieser Augen ist speziell auf die Wellenlänge des Lichts angepasst. Unsere Photozelle nutzt den gleichen Effekt.“

Zwei mal gebacken

Um die künstlichen Mottenaugen herzustellen, besprühen die beiden Forscher eine Glasscheibe mit einer Suspension aus Kunststoffpartikeln. In der Flüssigkeit sind unter anderem Wolframsalze enthalten, die sich auf die Glasscheibe ablagern und das Glas wie eine Schicht dicht aneinanderliegender Murmeln bedeckt. Dann kommt die so präparierte Glasscheibe in den Ofen. Die noch in der Suspension enthaltenen Kunststoffpartikel verbrennen und aus den einzelnen Tröpfchen der Wolframsalzlösung entstehen die gewünschten Wolframoxidkügelchen auf der Glasscheibe. Danach wird diese Struktur mit Einseńsalzen überzogen und abermals in den Ofen gesteckt. Es entsteht eine hauchdünne Schicht Eisenoxid auf den Wolframoxidkügelchen. Damit erreichen die Forscher nicht nur eine extrem hohe Ausbeute an Ladungsträgern, sondern auch die für die photokathalytische Wasserspaltung erforderliche Spannung. Diese muss zwischen Kathode und Anode mindestens 1,23 Volt betragen. Denn so viel Energie bracht man, um Wasserstoff- von Sauerstoffatomen zu trennen. In der Praxis muss aufgrund der Leitungsverluste sogar eine Spannung von 1,6 bis 2,4 Volt anliegen.

Die Forschung geht weiter

Die Schweizer Forscher haben ihre Laborergebnisse mit vorherigen Computersimulationen verglichen. „Das Ergebnis der Simulationen stimmte mit den Versuchen überein“, bestätigt Projektleiter Artur Braun. „Es ist klar zu erkennen, wie viel das Wolframoxid zum Photostrom beiträgt und wie viel das Eisenoxid. Und: je kleiner die Kügelchen sind, desto mehr Licht landet auf dem Eisenoxid, das die Kügelchen überdeckt.“ In einem nächsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, welche Effekte mehrere übereinander liegende Schichten von Kügelchen auslösen können. Die Arbeit an der Mottenaugen-Solarzelle geht also weiter. (su)