Ein neues Mikroskopie-Tool für die Energieforschung
Verfahren ermöglicht die Messung von Spannungsänderungen auf der Oberfläche von Photoelektroden im Millisekunden-Bereich.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Bundeswehr-Uni Hamburg, des Lawrence Berkeley National Lab in den USA und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, um Spannungsänderungen auf der Oberfläche von Photoelektroden zu erfassen. Sie nutzen dafür eine neu entwickelte automatisierte Datenanalysemethode. Die „Kelvin Probe Force Microscopy” ermöglicht Messungen im Millisekunden-Bereich. Sie funktioniert durch die Entnahme von Informationen, die in jedem Pixel eines KPFM-Bilds enthalten sind, was bisher nicht möglich war. Die so gewonnenen Erkenntnisse können zur Entwicklung effizienterer und stabilerer Materialien für photoelektrochemische Zellen beitragen.
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PECs sind Zellen, die Licht in chemische Energie umwandeln und die nachhaltige Produktion von Wasserstoff und anderen Chemikalien wie etwa Kraftstoffen unterstützen. Photoelektroden, die zentralen Komponenten von PECs, sind lichtempfindlich und bestehen aus Halbleitern. In PECs absorbieren die Halbleiter Licht und erzeugen dadurch Ladungsträger, die letztlich die chemischen Reaktionen antreiben. Trotz ihres vielversprechenden Potenzials haben sich diese Systeme noch nicht durchgesetzt. Die Effizienz, mit der sie Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln können, ist immer noch geringer als theoretisch vorhergesagt. Außerdem verschlechtert sich ihre Leistung mit der Zeit erheblich.
Um die Effizienz und die Stabilität zu erhöhen, benötigen Forscher zuverlässige Instrumente wie etwa die hochauflösende Mikroskopie, um zugrunde liegende Struktur und ihre lichtbezogenen optoelektronischen Eigenschaften zu untersuchen. Das Forschungsteam hat eine Technologie entwickelt, die hierbei helfen kann. Sie ermöglicht es, das Zusammenspiel zwischen der lokalen Morphologie einer Photoelektrode, also der Struktur kleiner Bereiche auf ihrer Oberfläche, und ihrer Ladungstransportdynamik zu untersuchen.
Der neue Ansatz funktioniert durch die Messung winziger Spannungsänderungen. Sie treten in kleinen Bereichen der Oberfläche einer Photoelektrode auf, wenn diese mit Licht bestrahlt wird. Die Forscher haben ihre Technik eingesetzt, um Titandioxid zu untersuchen, ein Halbleitermaterial, das häufig zur Herstellung von Photoelektroden verwendet wird.
„Mit unserer neuen automatisierten Datenanalysemethode können wir winzige Spannungsänderungen auf der Oberfläche einer Photoelektrode bis auf die Millisekunde genau verfolgen, wie es bisher noch nie möglich war", erklärt Mauricio Schieda vom Helmholtz-Zentrum Hereon. „Titandioxid ist ein einfaches System, das es uns ermöglichte, diesen Ansatz zu entwickeln. Und außerdem zu zeigen, dass es machbar ist, die Bewegung von Ladungen unter Licht zu verfolgen. Dies bringt uns der Verbesserung der Solartreibstofftechnologien einen Schritt näher."
Mit ihrer Technik gewannen die Forscher neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Struktur kleiner Bereiche auf einer Photoelektrode und ihrer Ladungstransportdynamik. Derselbe Ansatz könnte bald auch für die Untersuchung anderer Materialien als TiO2 verwendet werden und so möglicherweise zur Entwicklung effektiverer Photoelektroden für PECs beitragen.
Hereon / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
M. Pourmahdavi et al.: Correlating Local Morphology and Charge Dynamics via Kelvin Probe Force Microscopy to Explain Photoelectrode Performance, PRX Energy 4, 023010 (2025); DOI: 10.1103/PRXEnergy.4.023010 - Institut für funktionale Materialien für Nachhaltigkeit, Helmholtz-Zentrum Hereon, Teltow
