Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH - 21.03.2016
Solare Brennstoffe: Raffinierte Schutzschicht für das "Künstliche Blatt"
Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat ein Verfahren entwickelt, um empfindliche Halbleiter für die solare Wasserspaltung ("Künstliches Blatt") mit einer organischen transparenten Schutzschicht zu versehen. Die extrem dünne Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nanopartikeln aus Metalloxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung. Das Team konnte erstmals eine Hybridstruktur herstellen, die 12 Prozent der Solarenergie in Form von Wasserstoff speichert. Die Ergebnisse sind nun in Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Ein "Künstliches Blatt" besteht im Prinzip aus einer Solarzelle, die mit
weiteren funktionalen Schichten kombiniert wird. Diese wirken als
Elektroden und sind außerdem mit Katalysatoren beschichtet. Wird das
komplexe Materialsystem in Wasser getaucht und beleuchtet, kann es
Wassermoleküle zerlegen. Dabei entsteht Wasserstoff, der die Sonnenenergie
in chemischer Form speichert. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik
gibt es jedoch noch mehrere Probleme: zum einen muss trotz der
zusätzlichen Materialschichten noch ausreichend Licht in die Solarzelle
gelangen, um die Spannung für die Wasserspaltung zu erzeugen. Darüber
hinaus halten die Halbleitermaterialien, aus denen Solarzellen in der
Regel bestehen, dem mit Säure versetzten Wasser nicht lange stand. Daher
braucht das "Künstliche Blatt" eine stabile Schutzschicht, die
gleichzeitig transparent und leitfähig sein muss.
Die Skizze zeigt den Aufbau der Probe: die n-dotierte Siliziumschicht
(schwarz), eine dünne Siliziumoxidschicht (grau), eine
Zwischenschicht (gelb) und schließlich die Schutzschicht (braun), auf
der die Katalysatorpartikel mit dem Elektrolyten (grün) in Kontakt
kommen.
Bild: © M. Lublow/HZB
Das Team arbeitete mit Proben aus Silizium, einem n-dotierten Halbleitermaterial, das als einfache Solarzelle bei Beleuchtung eine Spannung liefert. Die Materialwissenschaftlerin Anahita Azarpira, Doktorandin in der Gruppe von Dr. Thomas Schedel-Niedrig, präparierte diese Proben so, dass sich zunächst Ketten von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen auf der Siliziumoberfläche bildeten. "In einem weiteren Schritt habe ich dann Nanopartikel aus dem Katalysator Rutheniumdioxid abgeschieden", erklärt Azarpira. Als Ergebnis bildete sich eine leitfähige und stabile Polymerstruktur von nur drei bis vier Nanometern Dicke. Dabei waren die Reaktionen in der elektrochemischen Präparationszelle überaus kompliziert und konnten erst jetzt mit Hilfe von Dr. Michael Lublow am HZB aufgeschlüsselt werden.
Mit diesem neuen Verfahren werden die Rutheniumdioxid-Partikel zum ersten Mal doppelt genutzt: Zuerst sorgen sie dafür, dass eine effektive organische Schutzschicht entsteht. Damit werden die üblicherweise sehr komplizierten Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten wesentlich vereinfacht. Erst dann erledigen sie ihren "normalen Job" und beschleunigen die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.
Die so geschützte Silizium-Elektrode erreicht eine "Solar-to-Hydrogen"-Effizienz von ca. 12 Prozent. Während der gesamten Messdauer von 24 Stunden beobachteten die Forscher außerdem keine Degradation der Zelle, die Ausbeute blieb stabil. "Bemerkenswert ist, dass bisher ein ganz anderes Material als organische Schutzschicht favorisiert wurde: Graphen. Dieses vieldiskutierte zweidimensionale Material konnte jedoch bisher nur eingeschränkt für elektrochemische Prozesse eingesetzt werden, während die von uns entwickelte Schutzschicht sehr gut funktioniert", erklärt Michael Lublow. "Weil sich das neuartige Material sowie das Abscheidungsverfahren auch für andere Anwendungen eignen könnten, streben wir nun internationale Schutzrechte an", sagt Teamleiter Thomas Schedel-Niedrig.
"Sustained Water Oxidation by Direct Electrosynthesis of Ultrathin Organic
Protection Films on Silicon", Anahita Azarpira, Thomas Schedel-Niedrig,
H.-J. Lewerenz, Michael Lublow* in Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.201502314
Weitere Informationen unter:
http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14423&sprache=de&typoid=5272
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201502314/full
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution111
*
Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH,
Dr. Ina Helms, 21.03.2016
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 23. März 2016
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