Sonnenlicht ist eine unerschöpfliche Energiequelle und die Nutzung von Sonnenlicht zur Stromerzeugung ist einer der Grundpfeiler erneuerbarer Energien. Mehr als 40 % des auf die Erde fallenden Sonnenlichts gehören zum infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektrum; Allerdings nutzt die aktuelle Solartechnologie hauptsächlich sichtbares und ultraviolettes Licht. Technologien, die das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung, die sogenannte Gesamtsonnenenergie, nutzen, stecken noch in den Kinderschuhen.


(Links) Einzelner kupferdotierter Wolframsäure-Nanokristall; (rechts) Atomaufgelöstes Bild des Nanokristalls.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Assistenzprofessoren Melbert Jeem und Professor Seiichi Watanabe vom College of Engineering der Universität Hokkaido synthetisierte ein kupferdotiertes Material auf Wolframatbasis mit vollständiger Nutzung der Sonnenenergie. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Jeem erklärt: „Derzeit wird das nahe und mittlere Infrarotspektrum der Sonnenstrahlung (800 nm bis 2500 nm) nicht zur Stromerzeugung genutzt. Wolframsäure ist ein Kandidat für die Entwicklung von Nanomaterialien, die dieses Spektrum nutzen könnten, da sie eine Kristallstruktur mit Defekten besitzt, die diese Wellenlängen absorbieren.“

Zusammenfassung der relativen Lichtabsorption von Wolframatkristallen von UV- bis Infrarotlicht. 1, 5 und 10 sind die Kupferkonzentrationen, die dazu führen, dass die Nanokristalle fotokritisch werden. Bildnachweis: MelbertJeem et al. Fortschrittliche Materialien. 29. Juli 2023

Die Wissenschaftler verwendeten eine zuvor von ihnen entwickelte Photofabrikationstechnik, die Unterwasser-Photosynthese von Mikrokristallen, um Wolframat-Nanokristalle zu synthetisieren, die mit unterschiedlichen Kupferkonzentrationen dotiert waren. Die Struktur und Lichtabsorptionseigenschaften dieser Nanokristalle wurden analysiert; Ihre photothermischen, photounterstützten Wasserverdunstung und photoelektrochemischen Eigenschaften wurden gemessen.

Kupferdotierte Wolframoxid-Nanokristalle absorbieren das gesamte Lichtspektrum, von ultraviolettem über sichtbares Licht bis hin zu Infrarot; Wenn die Kupferdotierungsmenge 1 % beträgt, ist die Absorption von Infrarotlicht am größten. Mit 1 % und 5 % Kupfer dotierte Nanokristalle zeigen den höchsten Temperaturanstieg (photothermische Eigenschaften); Mit 1 % Kupfer dotierte Kristalle weisen auch die größte Wasserverdampfungseffizienz auf, die etwa 1,0 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde beträgt. Die Strukturanalyse von mit 1 % Kupfer dotierten Nanokristallen ergab, dass Kupferionen die Kristallstruktur von Wolframoxid verzerren können, was zu den beobachteten Eigenschaften führt, wenn Licht absorbiert wird.

„Unsere Entdeckung stellt einen großen Fortschritt im Design von Nanokristallen dar, die in der Lage sind, die gesamte Sonnenenergie zu synthetisieren und zu nutzen“, schloss Watanabe. „Wir haben gezeigt, dass die Kupferdotierung Wolframat-Nanokristallen durch die vollständige Nutzung der Sonnenenergie vielfältige Eigenschaften verleiht. Dies bietet einen Rahmen für weitere Forschung in diesem Bereich und die Entwicklung von Anwendungen.“