Forschung & Entwicklung

Fotokathoden aus Kupferoxid: Ursachen für hohe Verluste

Mithilfe eines Femtosekundenlaserexperiment lässt sich aufklären, wo Verluste in Kupferoxid-basierten Fotokathoden oder Solarzellen stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials.

Kupferoxid (Cu2O) ist ein aussichtsreicher Kandidat für die zukünftige solare Energieumwandlung: Als Fotokathode könnte der Halbleiter Kupferoxid mit Sonnenlicht Wasser elektrolytisch aufspalten und so den Brennstoff Wasserstoff erzeugen, der die Energie des Sonnenlichts chemisch speichert. Einkristallines Kupferoxid besitzt eine Bandlücke von 2 eV, die sehr gut zum solaren Energiespektrum passt. Perfekte Kupferoxidkristalle sollten unter Lichtbestrahlung theoretisch eine Spannung nahe 1,5 V bereitstellen. Damit wäre das Material gut geeignet als Absorber in einer Stapelzelle für die solare Wasserspaltung und einen Wirkungsgrad von bis zu 18 Prozent ermöglichen. Doch die realen Werte für die Fotospannung liegen deutlich darunter und reichen nicht aus, um Kupferoxid effizient als Fotokathode in einer Stapelzelle für die solare Wasserspaltung zu verwenden. Bisher wurden vor allem Verlustprozesse nahe der Oberfläche beziehungsweise an Grenzschichten dafür verantwortlich gemacht.

Nun hat ein Team am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) diese Prozesse unter die Lupe genommen. Sie bedampften Cu2O-Einkristalle mit einer hauchdünnen, transparenten Schicht aus Platin. Diese Platinschicht fungiert als Katalysator und steigert die Effizienz der Wasseraufspaltung. Sie untersuchten diese Proben im Femtosekunden-Laserlabor am HZB, um herauszufinden, welche Prozesse zum Verlust der Ladungsträger führen und insbesondere auch, ob diese Verluste im Innern der Einkristalle auftreten oder an der Grenzfläche zum Platin.

Dafür regte ein erster Laserpuls im sichtbaren grünen Bereich die Elektronen im Cu2O an; nur Bruchteile von Sekunden später folgte ein zweiter Laserpuls (UV-Licht), um die Energie des angeregten Elektrons zu messen. Mit dieser zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Fotoemissionsspektroskopie (tr-2PPE) konnten die Wissenschaftler den Hauptmechanismus von Fotospannungsverlusten identifizieren. „Wir beobachteten, dass die angeregten Elektronen sehr schnell in Defektzuständen gebunden werden, die in der Bandlücke selbst in großer Zahl existieren“, berichtet Mario Borgwardt, der mittlerweile am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA arbeitet. Dies geschieht auf einer Zeitskala von unter einer Pikosekunde, also extrem schnell, vor allem im Vergleich zu der Zeit, in der Ladungen aus dem Inneren des kristallinen Materials an die Oberfläche diffundieren können.

Für Kupferoxid konnten die Forscher zeigen, dass die Verluste kaum an den Grenzflächen zum Platin auftreten, sondern im Kristall selbst. „Mit diesen neuen Einblicken liefern wir einen ersten Beitrag zum Exzellenzcluster UniSysCat der Technischen Universität Berlin, an dem wir beteiligt sind“, betont Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brennstoffe leitet. In UniSysCat stehen katalytische Prozesse im Fokus, die auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen stattfinden: Während Ladungsträger auf Anregungen durch Licht extrem schnell reagieren (Femtosekunden bis Pikosekunden), benötigen chemische Prozesse wie die Katalyse viele Größenordnungen mehr Zeit (Millisekunden). Für eine erfolgreiche Fotokatalyse müssen jedoch beide Prozesse gemeinsam optimiert werden. Die vorliegenden Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Borgwardt et al., Femtosecond time-resolved two-photon photoemission studies of ultrafast carrier relaxation in Cu2O photoelectrodes, Nat. Commun. 10 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10143-x]

www.helmholtz-berlin.de

Firmeninformationen
© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten