Mehr solarer Wasserstoff dank besserer Elektroden

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. 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. 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.

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. Ronen Gottesman 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 Grad Celsius erhitzt haben, ohne die Substrate zu beschädigen“, sagt Gottesman. 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 einem Milliampere pro Quadrat­zentimeter für dieses Material – 25 Prozent über dem bisherigen Rekord. „Dies ist auch für die Herstellung von Quantenpunkten oder Halogenid­perowskiten interessant, die ebenfalls temperatur­empfindlich sind“, erklärt Gottesman.

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Gottesman et al.: Shining a Hot Light on Emerging Photoabsorber Materials: The Power of Rapid Radiative Heating in Developing Oxide Thin-Film Photoelectrodes, ACS Energy Lett. 7, 514 (2022); DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02220
• Institut für Solare Brennstoffe, Helmholtz-Zentrum Berlin HZB, Berlin