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.

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.

 

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Wärmedämmung für Quantentechnologien
    Science Highlight
    19.05.2022
    Wärmedämmung für Quantentechnologien
    Neue energieeffiziente IT-Bauelemente arbeiten häufig nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Daher kommt es entscheidend auf eine sehr gute Wärmeisolierung solcher Elemente an, was die Entwicklung von Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit erfordert. Ein Team am HZB hat nun mit einem neuartigen Sinterverfahren nanoporöse Silizium-Aluminium-Proben hergestellt, in welchen Poren und Nanokristallite den Transport von Wärme behindern und so die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduzieren. Die Forschenden haben ein Modell für die Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit entwickelt, das anhand von Messdaten zur Mikrostruktur der Proben und deren Wärmeleitfähigkeit bestätigt wurde. Damit liegt erstmals eine Methode für die gezielte Entwicklung von komplexen porösen Materialien mit ultraniedriger Wärmeleitfähigkeit vor.
  • Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern einzeln charakterisiert
    Science Highlight
    17.05.2022
    Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern einzeln charakterisiert
    Magnetische Nanostrukturen sind vielversprechende Werkzeuge für medizinische Anwendungen. Eingebaut in biologische Vehikel, lassen sich diese dann durch externe Magnetfelder an ihren Einsatzort im Körper steuern, wo sie Medikamente freisetzen oder Krebszellen zerstören können. Dazu ist jedoch die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften solcher Nanoteilchen nötig. Bisher konnten solche Informationen nur gemittelt über tausende Nanopartikel gewonnen werden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode entwickelt, um die charakteristischen Parameter jedes einzelnen magnetischen Nanopartikels zu bestimmen.
  • Royaler Besuch aus Schweden am HZB
    Nachricht
    16.05.2022
    Royaler Besuch aus Schweden am HZB

    Der König Carl XVI. Gustaf von Schweden sowie eine Gruppe Unternehmenslenker großer Konzerne wie Ericsson, Nordholt, Vattenfall, ABB, Schneider Electric und schwedische Vertreter aus dem öffentlichen Sektor und der Wissenschaft besuchten am 11. Mai 2022 den Technologiepark Adlershof.