Neue Haut für Multifunktions-Solarzelle

Ein Team am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat ein Verfahren entwickelt, um empfindliche Halb­leiter für die solare Wasser­spaltung („künstliches Blatt“) mit einer organischen transparenten Schutz­schicht zu versehen. Die extrem dünne Schutz­schicht aus vernetzten Kohlenstoff­atomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nano­partikeln aus Metall­oxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Licht­einstrahlung. Die so hergestellte Hybrid­struktur zeigt als Photo­anode für die Sauerstoff­entwicklung Strom­dichten von über 15 mA/cm².

Ein „künstliches Blatt“ besteht im Prinzip aus einer Solar­zelle, die mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert wird. Diese wirken als Elektroden und sind außerdem mit Katalysatoren beschichtet. Wird das komplexe Material­system in Wasser getaucht und beleuchtet, kann es Wasser­moleküle zerlegen. Dabei entsteht Wasser­stoff, der die Sonnen­energie in chemischer Form speichert. Nach dem gegen­wärtigen Stand der Technik gibt es jedoch noch mehrere Probleme: Zum einen muss trotz der zusätzlichen Material­schichten noch ausreichend Licht in die Solar­zelle gelangen, um die Spannung für die Wasser­spaltung zu erzeugen. Darüber hinaus halten die Halb­leiter­materialien, aus denen Solar­zellen in der Regel bestehen, dem mit Säure versetzten Wasser nicht lange stand. Daher braucht das „künstliche Blatt“ eine stabile Schutz­schicht, die gleich­zeitig transparent und leitfähig sein muss.

Das Team arbeitete mit Proben aus Silizium, einem n-dotierten Halbleiter­material, das als einfache Solar­zelle bei Beleuchtung eine Spannung liefert. Die Material­wissenschaftlerin Anahita Azarpira, Doktorandin in der Gruppe von Thomas Schedel-Niedrig, präparierte diese Proben so, dass sich zunächst Ketten von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen auf der Silizium­oberfläche bildeten. „In einem weiteren Schritt habe ich dann Nano­partikel aus dem Katalysator Ruthenium­dioxid abgeschieden“, erklärt Azarpira. Als Ergebnis bildete sich eine leitfähige und stabile Polymer­struktur von nur drei bis vier Nano­metern Dicke. Dabei waren die Reaktionen in der elektrochemischen Präparations­zelle überaus kompliziert und konnten erst jetzt am HZB aufgeschlüsselt werden.

Mit diesem neuen Verfahren erfahren die Ruthenium­dioxid-Partikel zum ersten Mal eine doppelte Nutzung: Zuerst sorgen sie dafür, dass eine effektive organische Schutz­schicht entsteht. Damit werden die üblicher­weise sehr komplizierten Verfahren zur Herstellung von Schutz­schichten wesentlich vereinfacht. Erst dann erledigen sie ihren „normalen Job“ und beschleunigen die Aufspaltung von Wasser in Sauer­stoff und Wasser­stoff.

Die so geschützte Silizium-Elektrode erreicht Stromdichten von über 15 mA/cm². Dies belegt, dass die Schutz­schicht eine hohe Leit­fähigkeit aufweist, was keineswegs selbst­verständlich für eine organische Schicht ist. Während der gesamten Messdauer von 24 Stunden beobachteten die Forscher außerdem keine Degradation der Zelle, die Ausbeute blieb stabil. Bemerkenswert ist, dass bisher ein ganz anderes Material als organische Schutz­schicht favorisiert wurde: Graphen. Dieses vieldiskutierte zwei­dimensionale Material ließ sich jedoch bisher nur eingeschränkt für elektro­chemische Prozesse einsetzen, während die am HZB entwickelte Schutz­schicht sehr gut funktioniert. „Weil sich das neuartige Material sowie das Abscheidungs­verfahren auch für andere Anwendungen eignen könnten, streben wir nun internationale Schutz­rechte an“, sagt Teamleiter Thomas Schedel-Niedrig.

HZB / DE