Forskere analyserede, hvordan en særlig behandling forbedrer billige metaloxid -fotoelektroder

Fossilt brændselsalderen er slut af flere stærke grunde. Som et alternativ til fossile brændstoffer, brint virker meget attraktivt. Gassen har en enorm energitæthed, det kan opbevares eller behandles yderligere, e. g. til metan, eller direkte levere ren elektricitet via en brændselscelle. Hvis det fremstilles ved hjælp af sollys alene, brint er fuldstændig vedvarende med nul kulstofemissioner.

Kunstige blade

Ligner en proces i naturlig fotosyntese, sollys kan også bruges i "kunstige blade" til at opdele vand i ilt og brint. Kunstige blade kombinerer fotoaktive halvledende materialer og kan nå en effektivitet ud over 15 %. Imidlertid, disse rekordeffektiviteter blev opnået ved hjælp af dyre systemer, som også har tendens til at nedbrydes i vandige opløsninger. For vellykket kommercialisering skal omkostningerne falde, og stabiliteten skal øges.

Gode ​​kandidater med én ulempe

Komplekse metaloxid halvledere er gode kandidater til kunstige blade, da de er relativt billige og stabile i vandige opløsninger. Forskere fra HZB-Institut for Solbrændstoffer fokuserer deres forskning på disse materialer. Indtil nu, fotoelektroder baseret på metaloxider har vist moderate effektiviteter (kun <8 %). En årsag er deres dårlige ladningsbærer (elektron og/eller hul) mobilitet, hvilket er op til 100.000 gange lavere end i klassiske halvledere såsom galliumarsenid eller silicium. "Hvad der er værre, er det faktum, at ladningsbærere i metaloxider ofte har en virkelig kort levetid på nanosekunder eller endda picosekunder. Mange af dem forsvinder, før de kan bidrage til spaltning af vand", Dr. Fatwa Abdi, ekspert ved HZB-Institute for Solar Fuels påpeger.

Varmebehandling med brint

En mulighed for at overvinde denne begrænsning er en varmebehandling under hydrogenatmosfære af metaloxidlagene efter aflejring. Fatwa Abdi og hans kolleger har nu undersøgt, hvordan denne behandling påvirker levetiden, transportegenskaber og defekter i en af ​​de mest lovende metaloxid -fotoelektroder, vismutvanadat (BiVO4).

Levetiden for ladningsbærere fordoblet

Tidsopløste konduktivitetsmålinger afslørede, at elektroner og huller lever mere end dobbelt så længe i hovedparten af ​​det hydrogenbehandlede BiVO4 i forhold til det uberørte BiVO4. Som resultat, den samlede fotostrøm under sollys er stort set forbedret. Yderligere målinger i Dresden og teoretiske beregninger af KAUST-kolleger i Saudi-Arabien gav bevis for, at tilstedeværelsen af ​​hydrogen i metaloxidet reducerer eller deaktiverer punktdefekter i hovedparten af ​​BiVO4. "Vores resultater viser, at brintbehandling fører til færre fælder for ladningsbærere og færre muligheder for at rekombinere eller gå tabt. Så flere ladningsbærere overlever længere og kan bidrage til vandspaltning", Abdi forklarer.