Solarer Wasserstoff: Photoanoden aus α-SnWO4 versprechen hohe Wirkungsgrade
TEM-Aufnahme einer α-SnWO4 Dünnschicht (pink), die mit 20 nm NiOx (grün) beschichtet wurde. An der Grenzfläche bildet sich eine weitere extrem dünne Schicht. © HZB
Photoanoden aus Metalloxiden gelten als praktikable Lösung für die Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. So besitzt α-SnWO4 optimale elektronische Eigenschaften für die photoelektrochemische Wasserspaltung, korrodiert jedoch rasch. Schutzschichten aus Nickeloxid können die Korrosion verhindern, reduzieren jedoch die Photospannung und damit den Wirkungsgrad. Nun hat ein Team am HZB an der Synchrotronquelle BESSY II untersucht, was an der Grenzfläche zwischen der Photoanode und der Schutzschicht genau passiert. Kombiniert mit theoretischen Methoden deuten die Messdaten darauf hin, dass sich dort eine Oxidschicht bildet, die den Wirkungsgrad der Photoanode beeinträchtigt.
Wasserstoff ist ein wichtiger Faktor in einem nachhaltigen Energiesystem. Das Gas speichert Energie in chemischer Form und kann auf vielfältige Weise genutzt werden: als Kraftstoff, als Ausgangsstoff für andere Brennstoffe und Chemikalien oder auch zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen. Wasserstoff lässt sich klimaneutral durch die elektrochemische Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht erzeugen. Die nötige Photospannung und Photostrom liefern geeignete Photoelektroden unter Lichteinfall, die im Wasser stabil bleiben. Einige Metalloxidverbindungen erfüllen diese Vorraussetzungen. So erreichen solare Wasserspalter mit Wismut-Vanadat (BiVO4)-Photoelektroden bereits heute Wirkungsgrade (Solar-to-Hydrogen) von etwa 8 % , was nahe am theoretischen Maximum des Materials liegt (9 %). Um Wirkungsgrade jenseits der 9 % zu erreichen, werden neue Materialien mit einer kleineren Bandlücke benötigt.
α-SnWO4 : Theoretisch bis 20 % Wirkungsgrad möglich
Das Metalloxid α-SnWO4 hat eine Bandlücke von 1,9 eV, die sich perfekt für die photoelektrochemische Wasserspaltung eignet. Theoretisch könnte eine Photoanode aus diesem Material um die 20 % des eingestrahlten Sonnenlichts in chemische Energie, gespeichert in Form von Wasserstoff, umwandeln. Leider zersetzt sich die Verbindung in wässriger Umgebung sehr schnell.
Schutzschicht reduziert die Photospannung
Dünne Schichten aus Nickeloxid (NiOx) können die α-SnWO4-Photoanode vor Korrosion schützen. Dabei wurde jedoch auch festgestellt, dass sie die Photospannung deutlich reduzieren. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, hat ein Team um Dr. Fatwa Abdi am HZB-Institut für Solare Brennstoffe die α-SnWO4/NiOx-Grenzfläche an BESSY II im Detail analysiert.
HAXPES-Messung an BESSY II
"Wir haben Proben mit unterschiedlichen NiOx-Dicken mit harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) an BESSY II untersucht und die Messdaten mit Ergebnissen aus Berechnungen und Simulationen interpretiert", sagt Patrick Schnell, Erstautor der Studie und Doktorand in der HI-SCORE International Research School am HZB. "Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Oxidschicht bildet, die die Photospannung reduziert", erklärt Dr. Fatwa Abdi.
Ausblick: Schutzschicht ohne Nachteile
Insgesamt liefert die Studie grundlegende neue Erkenntnisse über die komplexe Natur von Grenzflächen in Metalloxid-basierten Photoelektroden. "Diese Einblicke sind sehr hilfreich für die Entwicklung kostengünstiger, skalierbarer Metalloxid-Photoelektroden", sagt Abdi. α-SnWO4 ist in dieser Hinsicht besonders vielversprechend. "Wir arbeiten derzeit an einem alternativen Abscheidungsprozess für NiOx auf α-SnWO4, der nicht zur Bildung einer Grenzflächenoxidschicht führt. Wenn dies gelingt, erwarten wir, dass sich die photoelektrochemische Leistung von α-SnWO4 deutlich erhöhen wird."
- Neues Kontaktmaterial steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenEin neu entwickeltes Material für den Elektronenkontakt verbessert die Wirkungsgrade von Perowskit-Einzelsolarzellen und Perowskit/Silizium Tandemsolarzellen. Das neue Material basiert auf einem Carboran-Molekül und bietet gegenüber dem bisher genutzten Standardmaterial aus so genannten Fußballmolekülen eine Reihe von Vorteilen, zeigt die Studie, die federführend von einem Team um Steve Albrecht erarbeitet wurde. Inzwischen ist das Material patentiert und kommerziell erhältlich.
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.
- From Colombia to Berlin: Finding My Way in a New WorldIt was almost 11 p.m. when I arrived in Berlin. After a long journey from Colombia, all I wanted was to get to my accommodation, take a shower, and finally sleep.
Instead, I missed my train. Thinking it would follow the same route as the previous one as it would in my hometown of Medellín I confidently boarded the next train. About twenty minutes later, I realized something was wrong. I was heading in the wrong direction.
As if that was not enough, my phone battery was almost empty. Suddenly, I found myself alone in a city I had never visited before, late at night, speaking a language I did not understand, with no idea how to get back.
This was not how I had imagined the beginning of my first international trip....