06.04.2022 • Energie

Mehr solarer Wasserstoff dank besserer Elektroden

Plasmaprozess reduziert effizient strukturelle Defekte bei der Herstellung.

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.

Abb.: Herstellung der Photo­elektroden: Ein intensiver Laser­puls trifft auf...
Abb.: 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. (Bild: R. Gottesman, HZB)

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

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