In tutto il mondo i ricercatori stanno studiando le celle solari che imitano la fotosintesi delle piante, utilizzando la luce solare e l'acqua per creare combustibili sintetici come l'idrogeno. I ricercatori dell'Empa hanno sviluppato una tale cella fotoelettrochimica, ricreare l'occhio di una falena per aumentare drasticamente la sua efficienza di raccolta della luce. La cella è costituita da materie prime economiche:ferro e ossido di tungsteno.

La ruggine, l'ossido di ferro, potrebbe rivoluzionare la tecnologia delle celle solari. Questa sostanza solitamente indesiderata può essere utilizzata per realizzare fotoelettrodi che dividono l'acqua e generano idrogeno. La luce del sole viene quindi convertita direttamente in prezioso combustibile anziché essere prima utilizzata per generare elettricità. Sfortunatamente, come materia prima l'ossido di ferro ha i suoi limiti. Sebbene sia incredibilmente economico e assorba la luce esattamente nella regione della lunghezza d'onda in cui il sole emette più energia, conduce molto male l'elettricità e deve quindi essere utilizzato sotto forma di un film estremamente sottile affinché la tecnica di scissione dell'acqua funzioni. Lo svantaggio di ciò è che questi film sottili assorbono troppo poco la luce solare che colpisce la cella.

Microsfere per raccogliere la luce del sole

I ricercatori dell'Empa Florent Boudoire e Artur Braun sono ora riusciti a risolvere questo problema. Una speciale microstruttura sulla superficie del fotoelettrodo raccoglie letteralmente la luce del sole e non la rilascia più. La base di questa struttura innovativa sono minuscole particelle di ossido di tungsteno che, a causa del loro colore giallo saturo, può essere utilizzato anche per fotoelettrodi. Le microsfere gialle vengono applicate a un elettrodo e quindi ricoperte da uno strato estremamente sottile di ossido di ferro su nanoscala. Quando la luce esterna cade sulla particella, viene riflessa internamente avanti e indietro, fino a quando finalmente tutta la luce viene assorbita. Tutta l'energia nel raggio è ora disponibile per l'uso per dividere le molecole d'acqua.

In linea di principio la microstruttura di nuova concezione funziona come l'occhio di una falena, spiega Florent Boudoire. Gli occhi di queste creature attive notturne hanno bisogno di raccogliere quanta più luce possibile per vedere al buio, e devono anche riflettere il meno possibile per evitare di essere scoperti e di essere mangiati dai loro nemici. La microstruttura dei loro occhi si è particolarmente adattata alla lunghezza d'onda della luce appropriata. Le fotocellule dell'Empa sfruttano lo stesso effetto.

Per ricreare occhi artificiali di falena da microsfere di ossido di metallo, Florent Boudoire spruzza una lastra di vetro con una sospensione di particelle di plastica, ognuno dei quali contiene al centro una goccia di soluzione di sale di tungsteno. Le particelle giacciono sul vetro come uno strato di biglie ammassate l'una vicino all'altra. Il foglio viene posto in un forno e riscaldato, il materiale plastico brucia e ogni goccia di soluzione salina si trasforma nella microsfera di ossido di tungsteno necessaria. Il prossimo passo è spruzzare la nuova struttura con una soluzione di sale di ferro e scaldarla ancora una volta in un forno.

Catturare la luce simulata al computer

Ora, si potrebbero interpretare queste mescolanze, processi di spruzzatura e combustione come pura alchimia – una serie di passaggi che alla fine ha successo per puro caso. Tuttavia, parallelamente ai loro esperimenti pratici, i ricercatori hanno eseguito calcoli che modellano il processo sui loro computer e sono quindi stati in grado di simulare la "cattura della luce" nelle minuscole sfere. I risultati della simulazione concordano con le osservazioni sperimentali, come conferma il capo progetto Artur Braun. È evidente quanto l'ossido di tungsteno contribuisca alla fotocorrente e quanto sia dovuto all'ossido di ferro. Anche, più piccole sono le microsfere, più luce arriva sull'ossido di ferro sotto le palline. Come passo successivo i ricercatori hanno in programma di studiare quale potrebbe essere l'effetto di diversi strati di microsfere che si trovano uno sopra l'altro. Il lavoro sulle celle solari falena è ancora in corso!