Forschung

Theoretisch super, praktisch nicht

21.05.2019 - Photo­kathoden aus Kupfer­oxid: Laser­experiment deckt Ur­sachen für hohe Ver­luste auf.

Kupferoxid könnte in Solar­zellen oder als Photo­kathode für die solare Energie­umwandlung theore­tisch hohe Wirkungs­grade ermög­lichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffi­nierten Femto­sekunden-Laser­experiment aufklären, wo diese Verluste statt­finden: Sie treten weniger an den Grenz­flächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristal­linen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupfer­oxid und andere Metall­oxide für Anwendungen als Energie­materialien zu optimieren.

Kupferoxid ist ein aussichts­reicher Kandidat für die zukünftige solare Energie­umwandlung: Als Photo­kathode könnte der Halbleiter Kupferoxid mit Sonnen­licht Wasser elektro­lytisch aufspalten und so den Brenn­stoff Wasser­stoff erzeugen, der die Energie des Sonnen­lichts chemisch speichert.

Einkristallines Kupferoxid besitzt eine Bandlücke von 2 eV, die sehr gut zum solaren Energie­spektrum passt. Perfekte Kupfer­oxid-Kristalle sollten unter Licht­bestrahlung theore­tisch eine Spannung nahe 1,5 Volt bereit­stellen. Damit wäre das Material sehr gut geeignet als Top-Absorber in einer Stapel­zelle für die solare Wasser­spaltung und sollte einen Wirkungs­grad von Sonnen­energie zu chemischer Energie in Wasserstoff von bis zu 18 Prozent ermöglichen. Doch die realen Werte für die Photo­spannung liegen deutlich darunter und reichen nicht aus, um Kupferoxid effizient als Photo­kathode in einer Stapelzelle für die solare Wasser­spaltung zu verwenden. Bisher wurden vor allem Verlust­prozesse nahe der Oberfläche bzw. an Grenz­schichten dafür verant­wortlich gemacht.

Nun hat ein Team am HZB-Institut für Solare Brenn­stoffe diese Prozesse unter die Lupe genommen. Sie erhielten hoch­wertige Cu2O-Einkristalle von des California Institute of Technology und bedampften sie zusätzlich mit einer hauch­dünnen, transpa­renten Schicht aus Platin. Diese Platin­schicht fungiert als Kataly­sator und steigert die Effizienz der Wasser­aufspaltung. Sie unter­suchten diese Proben im Femto­sekunden-Laserlabor am HZB, um herauszu­finden, welche Prozesse zum Verlust der Ladungs­träger führen und insbe­sondere auch, ob diese Verluste im Innern der Ein­kristalle auftreten oder an der Grenz­fläche zum Platin.

Dafür regte ein erster Laserpuls im sichtbaren grünen Bereich die Elektronen im Cu2O an; nur Bruchteile von Sekunden später folgte ein zweiter Laserpuls (UV-Licht), um die Energie des angeregten Elektrons zu messen. Mit dieser zeit­aufgelösten Zwei-Photonen-Photo­emissions-Spektroskopie (tr-2PPE) konnten sie den Haupt­mechanismus von Photo­spannungs­verlusten identi­fizieren. „Wir beobach­teten, dass die angeregten Elektronen sehr schnell in Defekt­zuständen gebunden werden, die in der Bandlücke selbst in großer Zahl existieren“, berichtet Erstautor Mario Borgwardt, der inzwischen seine Arbeit als Humboldt-Stipendiat am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA fortsetzt. Der Koordinator der Studie Dennis Friedrich führt aus: „Dies geschieht auf einer Zeit­skala von unter einer Piko­sekunde, also extrem schnell, vor allem im Vergleich zu der Zeit, in der Ladungen aus dem Inneren des kristal­linen Materials an die Ober­fläche diffun­dieren können.“

„Wir haben am Femto­sekunden-Laser­labor des HZB sehr leistungsstarke experimen­telle Methoden, um Energie und Dynamik von photo­angeregten Elektronen in Halb­leitern zu analysieren. Für Kupfer­oxid konnten wir zeigen, dass die Verluste kaum an den Grenzflächen zum Platin auftreten, sondern im Kristall selbst“, sagt der Initiator der Studie und Leiter der Femto­sekunden-Spektro­skopie am HZB, Rainer Eichberger.

„Mit diesen neuen Einblicken liefern wir einen ersten Beitrag zum Exzellenz­cluster UniSysCat der TU Berlin, an dem wir beteiligt sind“, betont Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brenn­stoffe leitet. In UniSysCat stehen katalytische Prozesse im Fokus, die auf sehr unterschied­lichen Zeit­skalen stattfinden: Während Ladungs­träger auf Anregungen durch Licht extrem schnell reagieren – Femto­sekunden bis Pikosekunden –, benötigen chemische Prozesse wie die Katalyse viele Größenordnungen mehr Zeit. Für eine erfolgreiche Photo­katalyse müssen jedoch beide Prozesse gemeinsam optimiert werden. Die vorliegenden Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.

HZB / od

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Werkzeuge für die multiphysikalische Optiksimulation

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The first part of the webinar will provide an overview of the fundamentals and challenges of the welding process and the features of the CIVAN CBC laser. The second part of the webinar will discuss approaches to take advantage of fast, arbitrary beam shaping to control process problems.

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