Solbrint:Bedre fotoelektroder gennem flashopvarmning

At producere billige metaloxid-tynde film med høj elektronisk kvalitet til solvandsspaltning er ikke en let opgave. Især da kvalitetsforbedringer af de øvre metaloxid tynde film kræver termisk behandling ved høje temperaturer, hvilket ville smelte det underliggende glassubstrat. Nu har et team på HZB-Institute for Solar Fuels løst dette dilemma:En høj intensitet og hurtig lysimpuls opvarmer direkte den halvledende metal-oxid tynde film, hvilket gør det muligt at opnå de optimale opvarmningsforhold uden at beskadige underlaget.

Solenergi kan direkte drive elektrokemiske reaktioner på overfladen af ​​fotoelektroder. Fotoelektroder består af halvledende tynde film på transparente ledende glassubstrater, der omdanner lys til elektricitet. De fleste fotoelektrokemiske undersøgelser har fokuseret på vandspaltning, en termodynamisk reaktion op ad bakke, der kunne tilbyde en attraktiv vej til langsigtet opsamling og lagring af solenergi ved at producere "grønt" brint.

Metaloxid tyndfilm fotoelektroder er særligt interessante til disse forskellige funktioner. De omfatter rigelige elementer, der potentielt tilbyder uendelig justering for at opnå de ønskede egenskaber – til potentielt lave omkostninger.

Lavet af plasma

Hos HZB Institute for Solar Fuels fokuserer flere teams på at udvikle sådanne fotoelektroder. Den sædvanlige metode til at fremstille dem er pulserende laseraflejring:en intens laserimpuls rammer et mål, der indeholder materialet, og ablaterer det til et højenergisk plasma aflejret på et substrat.

Kvalitet kræver varme

Yderligere trin er nødvendige for at forbedre kvaliteten af ​​den aflejrede tynde film. Især termisk behandling af metaloxid-tyndfilmen reducerer defekter og ufuldkommenheder. Dette skaber imidlertid et dilemma:At reducere koncentrationen af ​​atomare defekter og forbedringer i krystallinsk rækkefølge af metaloxid-tynde film ville kræve termiske bearbejdningstemperaturer mellem 850 og 1000 grader Celsius – men glassubstratet smelter allerede ved 550 grader Celsius.

Flash-opvarmning af den tynde film

Dr. Ronen Gottesman fra HZB Institute for Solar Fuels har nu løst dette problem:Efter aflejring ved hjælp af kraftige lamper flash-opvarmer han metaloxid-tyndfilmen. Dette varmer det op til 850 grader Celsius uden at smelte det underliggende glassubstrat.

"Varmen reducerer effektivt strukturelle defekter, fældetilstande, korngrænser og faseurenheder, hvilket ville blive mere udfordrende at afbøde med et stigende antal grundstoffer i metaloxiderne. Derfor er nye innovative syntesetilgange afgørende. Vi har nu demonstreret dette på fotoelektroder lavet af Ta₂ O₅ , TiO₂ , og WO₃ , som vi opvarmede til 850 °C uden at beskadige underlagene," siger Gottesman.

Rekordpræstation for α-SnWO₄

Den nye metode var også vellykket med et fotoelektrodemateriale, der anses for at være en meget god kandidat til solvandsspaltning:α-SnWO₄ . Konventionel ovnopvarmning efterlader faseurenheder. Hurtig termisk behandling (RTP) opvarmning forbedrede krystallinitet, elektroniske egenskaber og ydeevne, hvilket førte til en ny rekordydelse på 1 mA/cm ² for dette materiale, højere med 25 % end den tidligere rekord.

"Dette er også interessant for produktionen af ​​kvanteprikker eller halogenidperovskitter, som også er temperaturfølsomme," forklarer Gottesman.

Forskningen blev offentliggjort i ACS Energy Letters . + Udforsk yderligere

Solbrint:Fotoanoder lover høj effektivitet