Themen: Solare Brennstoffe (76) HZB-Eigenforschung (99)

Science Highlight    21.03.2016

Solare Brennstoffe: Raffinierte Schutzschicht für das „Künstliche Blatt”

Die Skizze zeigt den Aufbau der Probe: die n-dotierte Siliziumschicht (schwarz), eine dünne Siliziumoxidschicht (grau), eine Zwischenschicht (gelb) und schließlich die Schutzschicht (braun), auf der die Katalysatorpartikel mit dem Elektrolyten (grün) in Kontakt kommen.
Copyright: M. Lublow

Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat ein Verfahren entwickelt, um empfindliche Halbleiter für die solare Wasserspaltung („Künstliches Blatt“) mit einer organischen transparenten Schutzschicht zu versehen. Die extrem dünne Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nanopartikeln aus Metalloxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung. Die so hergestellte Hybridstruktur zeigt als Photoanode für die Sauerstoffentwicklung Stromdichten von über als 15 mA/cm2. Die Ergebnisse sind nun in Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Das Team arbeitete mit Proben aus Silizium, einem n-dotierten Halbleitermaterial, das als einfache Solarzelle bei Beleuchtung eine Spannung liefert. Die Materialwissenschaftlerin Anahita Azarpira, Doktorandin in der Gruppe von Dr. Thomas Schedel-Niedrig, präparierte diese Proben so, dass sich zunächst Ketten von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen auf der Siliziumoberfläche bildeten. „In einem weiteren Schritt habe ich dann Nanopartikel aus dem Katalysator Rutheniumdioxid abgeschieden“, erklärt Azarpira. Als Ergebnis bildete sich eine leitfähige und stabile Polymerstruktur von nur drei bis vier Nanometern Dicke. Dabei waren die Reaktionen in der elektrochemischen Präparationszelle überaus kompliziert und konnten erst jetzt am HZB aufgeschlüsselt werden.

Mit diesem neuen Verfahren werden die Rutheniumdioxid-Partikel zum ersten Mal doppelt genutzt: Zuerst sorgen sie dafür, dass eine effektive organische Schutzschicht entsteht. Damit werden die üblicherweise sehr komplizierten Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten wesentlich vereinfacht. Erst dann erledigen sie ihren „normalen Job“ und beschleunigen die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.

Organische Schutzschicht kombiniert ausgezeichnete Stabilität und hohe Stromdichte

Die so geschützte Silizium-Elektrode erreicht Stromdichten von über 15 mA/cm2. Dies belegt, dass die Schutzschicht eine hohe Leitfähigkeit aufweist, was keineswegs selbstverständlich für eine organische Schicht ist. Während der gesamten Messdauer von 24 Stunden beobachteten die Forscher außerdem keine Degradation der Zelle, die Ausbeute blieb stabil. Bemerkenswert ist, dass bisher ein ganz anderes Material als organische Schutzschicht favorisiert wurde: Graphen. Dieses vieldiskutierte zweidimensionale Material konnte jedoch bisher nur eingeschränkt für elektrochemische Prozesse eingesetzt werden, während die am HZB entwickelte Schutzschicht sehr gut funktioniert. „Weil sich das neuartige Material sowie das Abscheidungsverfahren auch für andere Anwendungen eignen könnten, streben wir nun internationale Schutzrechte an“, sagt Teamleiter Thomas Schedel-Niedrig.


“Sustained Water Oxidation by Direct Electrosynthesis of Ultrathin Organic Protection Films on Silicon”, Anahita Azarpira, Thomas Schedel-Niedrig, H.-J. Lewerenz, Michael Lublow* in Advanced Energy Materials DOI: 10.1002/ aenm.201502314

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Bassi untersucht Materialsysteme, die als Photoelektrokatalysatoren die Wasserspaltung mit Licht erm&ouml;glichen.</p>NACHRICHT      20.05.2019

    Posterpreis für HZB Postdoc Prince Saurabh Bassi

    Auf dem "International Bunsen-Discussion-Meeting on Fundamentals and Applications of (Photo) Electrolysis for Efficient Energy Storage” erhielt Dr. Prince Saurabh Bassi den Posterpreis. Bassi ist Postdoc bei Prof. Sebastian Fiechter am HZB-Institut für Solare Brennstoffe.

    [...]


  • NACHRICHT      15.05.2019

    Das HZB auf der INTERSOLAR in München

    Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) präsentiert sich vom 15. bis 17. Mai auf der INTERSOLAR in München, der weltweit größten Solarmesse. Das HZB zählt international zu den führenden Forschungszentren im Bereich der Solarenergie und zeigt neueste Entwicklungen in der Photovoltaik und bei den solaren Brennstoffen. Das HZB bietet vielseitige Kooperationsmöglichkeiten für Unternehmen – von der Auftragsforschung bis zum gemeinsamen Forschungsprojekt. [...]


  • <p>Ein erster Laserpuls (gr&uuml;n) regt die Elektronen im Cu<sub>2</sub>O an; Bruchteile von Sekunden sp&auml;ter folgt ein zweiter Laserpuls (UV-Licht), um die Energie des angeregten Elektrons zu messen.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      09.05.2019

    Photokathoden aus Kupferoxid: Laserexperiment zeigt Ursachen für hohe Verluste

    Kupferoxid könnte in Solarzellen oder als Photokathode für die solare Energieumwandlung theoretisch hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffinierten Femtosekunden-Laserexperiment aufklären, wo diese Verluste stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupferoxid und andere Metalloxide für Anwendungen als Energiematerialien zu optimieren. [...]




Newsletter