Forschung: Photoelektrode für solaren Wasserstoff verbessert

Photoelektroden bestehen aus halbleitenden Dünnschichten auf transparenten, leitfähigen Glassubstraten. Sonnenlicht kann an den Oberflächen von Photoelektroden elektrochemische Reaktionen direkt anregen und zum Beispiel Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Dadurch lässt sich mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen, eine attraktive Option, um Sonnenenergie zu speichern. Eine Metalloxid-Dünnschicht-Photoelektrode ist für solaren Wasserstoff besonders interessant. Sie bestehen aus reichlich vorhandenen Elementen, die sich potenziell unbegrenzt variieren lassen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen – und das zu vergleichsweise geringen Kosten.

Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe beschäftigen sich mehrere Teams mit der Entwicklung solcher Photoelektroden. Die übliche Methode, um sie herzustellen, ist die gepulste Laserdeposition: Ein intensiver Laserpuls trifft auf ein Target, das das Material enthält, und trägt es als hochenergetisches Plasma auf einem Substrat ab.

Das Dilemma bei Ofenhitze

Weitere Schritte sind jedoch erforderlich, um die Qualität der abgeschiedenen Dünnschicht zu verbessern. So verringert eine thermische Behandlung der Metalloxid-Dünnschicht Defekte und Unvollkommenheiten. Dies führt jedoch zu einem Dilemma: Denn um die Konzentration atomarer Defekte wirklich zu senken und die kristalline Ordnung der Metalloxid-Dünnschichten zu verbessern, müssten Temperaturen zwischen 850 und 1000 Grad Celsius erreicht werden – das Glassubstrat schmilzt jedoch bereits bei 550 Grad Celsius.

Ronen Gottesman vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat dieses Problem nun gelöst. Nach der Abscheidung heizt er die Metalloxid-Dünnschicht mit Hochleistungslampen blitzartig auf. Dabei wird die Dünnschicht auf 850 Grad Celsius erhitzt, ohne das darunter liegende Glassubstrat zu schmelzen. „Die Hitze reduziert effizient strukturelle Defekte, Fallenzustände, Korngrenzen und Phasenverunreinigungen“, sagt Gottesman. „Wir haben dies nun an Photoelektroden aus Ta2O5, TiO2 und WO3 demonstriert, die wir auf 850 °C erhitzt haben, ohne die Substrate zu beschädigen“, sagt Gottesman.

Photoelektrode für solaren Wasserstoff: Neuer Rekordwert für α-SnWO4

Die neue Methode war auch bei einem Photoelektrodenmaterial erfolgreich, das als sehr guter Kandidat für die solare Wasserspaltung gilt: α-SnWO4. Denn die herkömmliche thermische Behandlung im Ofen hinterlässt Phasenverunreinigungen. Somit verbessert Das Erhitzen mit dem Rapid Thermal Processing (RTP) die Kristallinität, die elektronischen Eigenschaften und führte zu einer neuen Rekordleistung von 1 mA/cm² für dieses Material. Das ist 25 % über dem bisherigen Rekord. „Dies ist auch für die Herstellung von Quantenpunkten oder Halogenidperowskiten interessant, die ebenfalls temperaturempfindlich sind“, sagt Gottesman.

21.4.2022 | Quelle: HZB | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH