Kobberoxidfotokatoder:Lasereksperiment afslører placeringen af ​​effektivitetstab

Solceller og fotokatoder lavet af kobberoxid kunne teoretisk opnå høj effektivitet til solenergikonvertering. I praksis, imidlertid, store tab opstår. Nu, et hold på HZB har været i stand til at bruge et sofistikeret femtosekund lasereksperiment til at bestemme, hvor disse tab finder sted - ikke så meget ved grænsefladerne, men i stedet, langt mere i det krystallinske materiales indre. Disse resultater giver indikationer på, hvordan man kan forbedre kobberoxid og andre metaloxider til anvendelser såsom energimaterialer.

Kobberoxid (Cu ₂ O) er en meget lovende kandidat til fremtidig solenergikonvertering:som fotokatode, kobberoxidet (en halvleder) kan muligvis bruge sollys til at elektrolytisk spalte vand og dermed generere brint, et brændstof, der kemisk kan lagre sollysets energi.

Kobberoxid har et båndgab på to elektronvolt, som matcher meget godt med sollysets energispektrum. Perfekte kobberoxidkrystaller skulle teoretisk set kunne give en spænding tæt på 1,5 volt, når de belyses med lys. Materialet ville således være perfekt som den øverste absorber i en fotoelektrokemisk tandemcelle til vandspaltning. En energiomdannelseseffektivitet fra sol-til-brint på op til 18 procent burde være opnåelig. Imidlertid, de faktiske værdier for fotospændingen ligger betydeligt under denne værdi, utilstrækkelig til at gøre kobberoxid til en effektiv fotokatode i en tandemcelle til vandspaltning. Indtil nu, tabsprocesser nær overfladen eller ved grænselag er hovedsageligt blevet holdt ansvarlige for dette.

Et team på HZB Institute for Solar Fuels har nu set nærmere på disse processer. Gruppen modtog Cu af høj kvalitet ₂ O enkeltkrystaller fra kolleger ved California Institute of Technology (Caltech), derefter opdampede en ekstremt tynd, gennemsigtigt lag platin på dem. Dette platinlag fungerer som en katalysator og øger effektiviteten af ​​vandspaltning. De undersøgte disse prøver i femtosekund laserlaboratoriet (1 fs =10 ^-15 s) på HZB for at lære, hvilke processer der fører til tab af ladningsbærere, og især, om disse tab forekommer i det indre af enkeltkrystallerne eller ved grænsefladen med platinet.

En grøn laserimpuls exciterede i begyndelsen elektronerne i Cu ₂ O; kun brøkdele af et sekund senere, en anden laserimpuls (UV-lys) målte energien af ​​den exciterede elektron. Holdet var derefter i stand til at identificere hovedmekanismen for fotospændingstab gennem denne tidsopløste to-foton-foton emissionsspektroskopi (tr-2PPE). "Vi observerede, at de exciterede elektroner meget hurtigt blev bundet i defekte tilstande, der eksisterer i stort antal i selve båndgabet, " rapporterer første forfatter Mario Borgwardt, som nu fortsætter sit arbejde som Humboldt-stipendiat ved Lawrence Berkeley National Laboratory i USA. Koordinatoren af ​​undersøgelsen, Dennis Friedrich, siger, "Dette sker på en tidsskala på mindre end et picosekund (1 ps =10 ^-12 s), dvs ekstremt hurtigt, især sammenlignet med det tidsinterval, ladningsbærere skal diffundere fra det indre af det krystallinske materiale til overfladen."

"Vi har meget kraftfulde eksperimentelle metoder på femtosekundlaserlaboratoriet i HZB til at analysere energi og dynamik af foto-exciterede elektroner i halvledere. Vi var i stand til at vise for kobberoxid, at tabene næppe forekommer ved grænsefladerne med platin. men i stedet i selve krystallen, " siger Rainer Eichberger, initiativtager til undersøgelsen og leder af femtosecond spektroskopi lab.

"Disse nye indsigter er vores første bidrag til UniSysCat Excellence Cluster ved Technische Universität Berlin, hvor vi er partner, " understreger Roel van de Krol, der leder HZB Institute for Solar Fuels. UniSysCat fokuserer på katalytiske processer, der finder sted over meget forskellige tidsskalaer:mens ladningsbærere reagerer ekstremt hurtigt på excitationer fra lys (femtosekunder til picosekunder), kemiske processer såsom (elektro)katalyse kræver mange størrelsesordener mere tid (millisekunder). En effektiv fotokemisk konvertering kræver, at begge processer optimeres sammen. De aktuelle resultater, der nu er blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation er et vigtigt skridt i denne retning.