Grüner Wasserstoff: “Rost” als Photoanode und ihre Grenzen

Wasserstoff wird in großen Mengen als Energieträger und Rohstoff im Energiesystem der Zukunft benötigt. Um dies zu erreichen, muss Wasserstoff jedoch klimaneutral erzeugt werden, beispielsweise durch sogenannte Photoelektrolyse, bei der Wasser durch Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Als Photoelektroden werden Halbleitermaterialien benötigt, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln und im Wasser stabil zu bleiben. Metalloxide gehören zu den besten Kandidaten für stabile und kostengünstige Photoelektroden. Einige dieser Metalloxide haben auch katalytisch aktive Oberflächen, die die Bildung von Wasserstoff an der Kathode oder Sauerstoff an der Anode beschleunigen.

Die Forschung hat sich seit langem auf Hämatit (α-Fe2O3) konzentriert, das allgemein als Rost bekannt ist. Hämatit ist wasserstabil, äußerst kostengünstig und als Photoanode mit nachgewiesener katalytischer Aktivität für die Sauerstoffentwicklung gut geeignet. Obwohl seit etwa 50 Jahren an Hämatit-Photoanoden geforscht wird, beträgt die Umwandlungseffizienz des Photostroms weniger als 50% des theoretischen Maximalwerts. Im Vergleich dazu liegt der Photostromwirkungsgrad des Siliziumhalbleitermaterials, das mittlerweile fast 90% des Photovoltaikmarktes dominiert, bei etwa 90% des theoretischen Maximalwerts.

Wissenschaftler sind darüber schon lange verwirrt. Was genau wurde vergessen? Was ist der Grund, warum nur bescheidene Effizienzgewinne erzielt wurden?

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Materialien aus der NaturEin Team unter der Leitung von Dr. Daniel Grave (Ben Gurion University), Dr. Dennis Friedrich (HZB) und Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) erklärte jedoch, warum Hämatit so weit vom maximal berechneten Wert entfernt ist. Die Technion-Gruppe untersuchte, wie die Wellenlänge des in dünnen Hämatitfilmen absorbierten Lichts die photoelektrochemischen Eigenschaften beeinflusst, während das HZB-Team die Eigenschaften wellenlängenabhängiger Ladungsträger in dünnen Rostschichten mit zeitaufgelösten Mikrowellenmessungen bestimmte.

Durch die Kombination ihrer Ergebnisse gelang es den Forschern, eine grundlegende physikalische Eigenschaft des Materials zu extrahieren, die bei der Untersuchung anorganischer Solarabsorber allgemein übersehen wurde: das Spektrum der Photogenerationseffizienz. „Grob gesagt bedeutet dies, dass nur ein Teil der vom Hämatit absorbierten Lichtenergie mobile Ladungsträger erzeugt, der Rest eher lokalisierte angeregte Zustände erzeugt und daher verloren geht“, sagt Grave.

Rost wird sich nicht viel verbessern

“Dieser neue Ansatz bietet einen experimentellen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in Hämatit und ermöglicht es, sein optisches Absorptionsspektrum in produktive Absorption und nicht-produktive Absorption zu unterscheiden”, sagt Rothschild. „Wir konnten zeigen, dass die effektive Obergrenze der Umwandlungseffizienz von Hämatit-Photoanoden aufgrund der Absorption der oberen Bandlücke signifikant niedriger ist als erwartet“, sagt Grave. Nach der neuen Berechnung liegen die heutigen „Champion“ -Hämatit-Photoanoden bereits ziemlich nahe am theoretisch möglichen Maximum. Viel besser geht es also nicht.

Der Ansatz wurde auch erfolgreich auf TiO2, ein Modellmaterial, und BiVO4 angewendet, das derzeit das leistungsstärkste Metalloxid-Photoanodenmaterial ist. „Mit diesem neuen Ansatz haben wir unser Arsenal um ein leistungsstarkes Tool erweitert, mit dem wir das erreichbare Potenzial von Photoelektrodenmaterialien identifizieren können. Die Implementierung in neue Materialien wird hoffentlich die Entdeckung und Entwicklung der idealen Photoelektrode für die solare Wasserspaltung beschleunigen. Erlauben Sie uns auch, schnell zusammenzubrechen, was bei der Entwicklung neuer absorbierender Materialien wohl genauso wichtig ist “, sagt Friedrich.

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