Solbrint:Fotoanoder lover høj effektivitet

Fotoanoder fremstillet af metaloxider anses for at være en levedygtig løsning til produktion af brint med sollys. α-SnWO ₄ har optimale elektroniske egenskaber til fotoelektrokemisk vandopdeling med sollys, men tærer let. Beskyttende lag af nikkeloxid forhindrer korrosion, men reducer fotovoltagen og begræns effektiviteten. Nu har et team på HZB undersøgt på BESSY II, hvad der sker ved grænsefladen mellem fotoanoden og det beskyttende lag. Kombineret med teoretiske metoder, måledataene afslører tilstedeværelsen af ​​et oxidlag, der forringer effektiviteten af ​​fotoanoden.

Brint er en vigtig faktor i et bæredygtigt energisystem. Gassen lagrer energi i kemisk form og kan bruges på mange måder:som brændstof, et råstof til andre brændstoffer og kemikalier eller endda til at generere elektricitet i brændselsceller. En løsning til at producere brint på en klimaneutral måde er den elektrokemiske spaltning af vand ved hjælp af sollys. Dette kræver fotoelektroder, der giver en fotovoltage og fotostrøm, når de udsættes for lys, og som samtidig ikke korroderer i vand. Metaloxidforbindelser har lovende forudsætninger for dette. For eksempel, solvandsopdelingsanordninger ved hjælp af vismutvanadat (BiVO ₄ ) fotoelektroder opnår allerede i dag ~ 8% sol-til-brint-effektivitet, som ligger tæt på materialets teoretiske maksimum på 9%.

Teoretisk grænse er 20% i α-SnWO ₄

For at opnå effektivitet ud over 9%, nye materialer med et mindre båndgab er nødvendige. Metaloxidet α-SnWO ₄ har et båndgab på 1,9 eV, som er perfekt egnet til fotoelektrokemisk vandopdeling. Teoretisk set en fotoanode lavet af dette materiale kunne omdanne ~ 20% af det bestrålede sollys til kemisk energi (lagret i form af brint). Desværre, forbindelsen nedbrydes meget hurtigt i et vandigt miljø.

Beskyttelse mod korrosion kommer med en pris

Tynde lag af nikkeloxid (NiOx) kan beskytte α-SnWO ₄ fotoanode mod korrosion, men viste sig også at reducere fotovoltagen markant. For at forstå, hvorfor dette er tilfældet, et team ledet af Dr. Fatwa Abdi ved HZB Institute for Solar Fuels har analyseret α-SnWO ₄ /NiOx -interface i detaljer hos BESSY II.

Interface undersøgt på BESSY II

"Vi studerede prøver med forskellige tykkelser af NiOx med hård røntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES) ved BESSY II og fortolkede de målte data med resultater fra beregninger og simuleringer, "siger Patrick Schnell, undersøgelsens første forfatter og en ph.d. studerende på HI-SCORE International Research School på HZB. "Disse resultater indikerer, at der dannes et tyndt oxidlag ved grænsefladen, hvilket reducerer fotovoltagen, ”forklarer Abdi.

Outlook:Bedre beskyttelseslag

Samlet set, undersøgelsen giver nye, grundlæggende indsigt i den komplekse karakter af grænseflader i metaloxidbaserede fotoelektroder. "Disse indsigter er meget nyttige til udviklingen af ​​billige, skalerbare metaloxid -fotoelektroder, "siger Abdi. α-SnWO ₄ er særligt lovende i denne henseende. "Vi arbejder i øjeblikket på en alternativ deponeringsproces for NiOx på α-SnWO ₄ der ikke fører til dannelse af et grænsefladeoxidlag, hvilket sandsynligvis vil være SnO ₂ . Hvis dette lykkes, vi forventer, at den fotoelektrokemiske ydelse af α-SnWO ₄ vil stige betydeligt. "