Maximaler Wirkungsgrad von Hämatit-Elektroden deutlich geringer als angenommen

Metalloxide eignen sich als Photoelektroden, um grünen Wasserstoff mit Sonnenlicht zu erzeugen. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung an diesem preisgünstigen Material sind die Fortschritte begrenzt. Ein Team am HZB hat nun mit Partnern von der Ben-Gurion-Universität und dem Technion in Israel die optoelektronischen Eigenschaften von Hämatit und anderen Metalloxiden in bisher nicht gekanntem Detail analysiert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der maximal erreichbare Wirkungsgrad von Hämatit-Elektroden deutlich geringer ist als bisher angenommen. Die Studie gibt darüber hinaus konkrete Hinweise, wie sich neue Materialien für Photoelektroden realistischer bewerten lassen.

Wasserstoff wird im Energiesystem der Zukunft in großen Mengen als Energieträger und Rohstoff benötigt. Dafür muss Wasserstoff jedoch klimaneutral erzeugt werden, zum Beispiel über Photo-Elektrolyse, in der Wasser in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Die nötige Energie liefert dafür das Sonnenlicht. Als Photoelektroden kommen halbleitende Materialien in Frage, die Sonnenlicht in Strom umwandeln und im Wasser stabil bleiben. Zu den besten Kandidaten für preisgünstige und stabile Photoelektroden gehören Metalloxide. Einige dieser Metalloxide besitzen zudem katalytisch aktive Oberflächen, die die Bildung von Wasserstoff an der Kathode bzw. Sauerstoff an der Anode beschleunigen.

Im Fokus der Forschung steht seit langem Hämatit, das unter dem Namen Rost bekannt ist. Hämatit ist stabil im Wasser, preiswert und eignet sich gut als Photoanode mit nachgewiesener katalytischer Aktivität für die Sauerstoffentwicklung. Obwohl seit etwa fünfzig Jahren an Hämatit-Photoanoden geforscht wird, liegt die Photostrom-Umwandlungseffizienz bei weniger als fünfzig Prozent des theoretischen Maximalwerts. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad des Halbleitermaterials Silizium, das heute fast neunzig Prozent des Photovoltaikmarkts dominiert, liegt bei etwa neunzig Prozent des theoretischen Maximalwerts. Über die Gründe rätselt man seit langem. Was genau wurde übersehen? Woran liegt es, dass trotz langer Forschung nur bescheidene Steigerungen des Wirkungsgrads erreicht werden konnten?

Jetzt hat das Team Daniel Grave von der Ben-Gurion-Universität, Dennis Friedrich vom HZB und Avner Rothschild vom Technion eine Erklärung dafür geliefert. Die Gruppe am Technion untersuchte, wie die Wellenlänge des absorbierten Lichts die photoelektrochemischen Eigenschaften der Hämatit-Dünnschichten beeinflusst, während das HZB-Team mit zeitaufgelösten Mikrowellenmessungen die Beweglichkeit der Ladungsträger in dünnen Rostschichten bestimmte.

Durch die Kombination ihrer Ergebnisse gelang es den Forschern, eine grundlegende physikalische Eigenschaft des Materials zu extrahieren, die bei der Betrachtung anorganischer Solarabsorber bisher vernachlässigt wurde: Das Spektrum der Photogenerationsausbeute. „Grob gesagt bedeutet das, dass nur ein Teil der absorbierten Licht-Energie im Hämatit auch mobile Ladungsträger erzeugt, der Rest erzeugt eher lokalisierte Ladungsträger und geht somit verloren", erklärt Grave.

„Dieser neue Ansatz gibt einen experimentellen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Licht und Material in Hämatit und erlaubt es, das Spektrum in produktive und nicht-produktive Absorption zu unterscheiden“, erklärt Rothschild. „Damit konnten wir zeigen, dass die effektive Obergrenze für die Umwandlungseffizienz von Hämatit-Photoanoden deutlich niedriger ist als bisher berechnet“, sagt Grave. Nach der neuen Berechnung kommen die heutigen Spitzenreiter unter den Hämatit-Photoanoden schon recht nahe an das theoretisch mögliche Maximum heran.

Der Ansatz wurde auch erfolgreich auf das Modellmaterial TiO₂ und das derzeit beste Metalloxid-Photoanodenmaterial BiVO₄ angewendet. „Mit diesem neuen Ansatz haben wir unserem Arsenal ein mächtiges Werkzeug hinzugefügt, das es uns ermöglicht, das tatsächliche Potenzial von Photoelektrodenmaterialien zu ermitteln. Wenn wir dies auf neuartige Materialien anwenden, wird dies hoffentlich die Entdeckung und Entwicklung der idealen Photoelektrode für die solare Wasserspaltung beschleunigen. Es würde uns auch erlauben, schnell zu scheitern, was bei der Entwicklung neuer Absorbermaterialien wohl ebenso wichtig ist“, so Friedrich.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. A. Grave et al.: Extraction of mobile charge carrier photogeneration yield spectrum of ultrathin-film metal oxide photoanodes for solar water splitting, Nat. Mater., online 19. April 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-00955-y
• Institut Solare Brennstoffe, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
• Dept. of Materials Engineering, Ben-Gurion-Universität des Negev, Israel
• Dept. of Materials Science and EngineeringTechnion, Haifa, Israel