Metaaloxides vormen de sleutel tot goedkope groene energie

"Gebruik maken van de energie van de zon kan simpelweg door het op atomair niveau fijnregelen van de elektrische en optische eigenschappen van metaaloxiden om een kunstmatig kristal of superrooster-sandwich te maken", zegt een onderzoeker van de Binghamton University in een recente publicatie in het tijdschrift Physical Review B.

"Metaaloxiden zijn goedkoop, beschikbaar en groen", stelt Louis Piper, natuurkundelector op de Bingham University. "En bovendien heel veelzijdig, zoals ons onderzoek heeft aangetoond. Met een juiste aanpak kunnen metaaloxiden op maar worden gemaakt voor allerlei toepassingen en dat is goed nieuws voor veel technologische toepassingen; speciaal voor het opwekken van energie of voor platte displays."

Het werkt als volgt: halfgeleiders vormen een belangrijke klasse van materialen, tussen metalen en isolatoren. Ze zijn gedefinieerd door de grootte van hun bandkloof, die aangeeft hoeveel energie er nodig is om een elektron te verplaatsen van een bezette naar een onbezette schil, waar hij elektriciteit kan geleiden

Zichtbaar licht bestrijkt een gebied van 1 (infrarood) tot 3 (ultraviolet) elektronvolt. Voor transparante geleiders is een grote bandkloof nodig, terwijl voor kunstmatige fotosynthese de bandkloof moet overeenkomen met groen licht. Met metaaloxiden kan die bandkloof op maat worden gemaakt. Maar hoewel metaaloxiden heel goed zijn in het geleiden van elektronen, doen zijn het juist slecht als ‘gaten'-geleider. Gaten - ofwel de afwezigheid van elektronen - geleiden positieve lading. Om hun technologische potentieel te maximaliseren, vooral voor kunstmatige fotosynthese en ‘onzichtbare' elektronica zijn gat-geleidende metaaloxiden vereist.

Met deze kennis begon Piper met het bestuderen van gelaagde metaaloxides, die kunnen worden gebruikt voor selectieve dotering ((het vervangen van een klein aantal atomen van één soort in het materiaal) of ‘tuning' (het regelen van de grootte van de bandkloof). Recent werk maakte duidelijk dat een superrooster van twee gatengeleidende koperoxiden voldoende zou zijn voor het hele zonnespectrum. Het doel is om de prestaties te verbeteren, met gebruik van milieuvriendelijke en goedkope alternatieve metalen. Indiumoxide is bijvoorbeeld een van de meest gebruikte oxiden bij de productie van coatings voor platte beeldschermen en zonnecellen. Het kan elektronen goed geleiden en het is transparant. Maar het is ook zeldzaam en duur. Piper richt zich nu op het gebruik van het veel goedkopere lagen tinoxide om elektronen- en gatengeleiding te krijgen met optimale transparantheid. Maar hij stelt dat er niet één oplossing voor alle doeleinden mogelijk is. "Het wordt een staaltje serieus detectivewerk", verwacht hij. "We werken op een terrein waar natuurkunde en scheikunde elkaar overlappen. En we lopen tegen de theoretische grenzen aan van onze berekeningen en fundamentele processen. Nu moeten we die berekeningen controleren en zien of we ergens iets missen. Ik ben ervan overtuigd dat we de missende onderdelen vinden door verder te spelen met metaaloxiden."

"Als we de juiste metaaloxiden hebben gevonden, kunnen we praten over batterij-opslag, brandstofcellen, aanraakschermtechnologie, en allerlei soorten computerschakelaars", zegt Piper.