Solarer Wasserstoff: Bessere Photoelektroden durch Blitz-Erhitzung
Herstellung der Photoelektroden: Ein intensiver Laserpuls trifft auf ein Target mit dem Material, verwandelt es in Plasma und scheidet es als Dünnschicht auf einem Substrat ab. © R. Gottesman/HZB
Um mit Sonnenlicht Wasser elektrolytisch aufzuspalten, werden Photoelektroden gebraucht. Kostengünstige Metalloxid-Dünnschichten mit hoher elektronischer Qualität eignen sich sehr gut dafür, doch ihre Herstellung ist komplex. Insbesondere lässt sich die Qualität der Metalloxid-Dünnschichten nur durch eine thermische Behandlung bei sehr hohen Temperaturen verbessern. Dabei würde jedoch das darunter liegende leitfähige Glassubstrat schmelzen. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat dieses Dilemma nun gelöst: Ein hochintensiver Lichtpuls heizt die halbleitende Metalloxid-Dünnschicht blitzschnell direkt auf, ohne das Substrat zu beschädigen.
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 "grüner" Wasserstoff erzeugen, eine attraktive Option, um Sonnenenergie zu speichern. Metalloxid-Dünnschicht-Photoelektroden sind 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.
Herstellung aus Plasma
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.
Blitzschnelle Lösung
Dr. 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.
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. Die herkömmliche thermische Behandlung im Ofen hinterlässt Phasenverunreinigungen. Das Erhitzen mit dem Rapid Thermal Processing (RTP) verbesserte die Kristallinität, die elektronischen Eigenschaften und führte zu einer neuen Rekordleistung von 1 mA/cm2 für dieses Material - 25 % über dem bisherigen Rekord.
"Dies ist auch für die Herstellung von Quantenpunkten oder Halogenidperowskiten interessant, die ebenfalls temperaturempfindlich sind", erklärt Gottesman.
- Die Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen könnenIn diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie versauern immer mehr. Meeresschnecken zeigen bereits erste Schäden, aber die zunehmende Versauerung könnte auch die kalkhaltigen Skelettstrukturen von Korallen beeinträchtigen. Dabei leiden Korallen außerdem unter marinen Hitzewellen und Verschmutzung, die weltweit zur Korallenbleiche und zum Absterben ganzer Riffe führen. Wie genau wirkt sich die Versauerung auf die Skelettbildung aus?
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel, ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky, Experte für Röntgenbildgebung an der Charité Berlin, untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden. Antonia Rötger befragte die beiden Experten online zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.
- Susanne Nies in EU-Beratergruppe zu Green Deal berufenDr. Susanne Nies leitet am HZB das Projekt Green Deal Ukraina, das den Aufbau eines nachhaltigen Energiesystems in der Ukraine unterstützt. Die Energieexpertin wurde nun auch in die wissenschaftliche Beratergruppe der Europäischen Kommission berufen, um im Zusammenhang mit der Netto-Null-Zielsetzung (DG GROW) regulatorische Belastungen aufzuzeigen und dazu zu beraten.
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.