Het tijdperk van fossiele brandstoffen zal eindigen, om verschillende sterke redenen. Als alternatief voor fossiele brandstoffen waterstof lijkt erg aantrekkelijk. Het gas heeft een enorme energiedichtheid, het kan worden opgeslagen of verder worden verwerkt, e. G. naar methaan, of direct via een brandstofcel schone stroom leveren. Als het wordt geproduceerd met alleen zonlicht, waterstof is volledig hernieuwbaar en heeft geen CO2-uitstoot.

Kunstmatige bladeren

Vergelijkbaar met een proces bij natuurlijke fotosynthese, zonlicht kan ook worden gebruikt in "kunstmatige bladeren" om water te splitsen in zuurstof en waterstof. Kunstmatige bladeren combineren fotoactieve halfgeleidende materialen en kunnen een efficiëntie bereiken van meer dan 15%. Echter, die recordrendementen werden verkregen met behulp van dure systemen, die ook de neiging hebben om te ontleden in waterige oplossingen. Voor een succesvolle commercialisering moeten de kosten omlaag en de stabiliteit toenemen.

Goede kandidaten met één nadeel

Complexe metaaloxidehalfgeleiders zijn goede kandidaten voor kunstmatige bladeren omdat ze relatief goedkoop en stabiel zijn in waterige oplossingen. Wetenschappers van HZB-Instituut voor Zonnebrandstoffen richten hun onderzoek op deze materialen. Tot nu, foto-elektroden op basis van metaaloxiden hebben een matige efficiëntie laten zien (slechts <8 %). Een reden is hun slechte mobiliteit van de ladingsdrager (elektron en/of gat), dat is tot 100.000 keer lager dan in klassieke halfgeleiders zoals galliumarsenide of silicium. "Erger nog is het feit dat ladingsdragers in metaaloxiden vaak een heel korte levensduur hebben van nanoseconden of zelfs picoseconden. Velen van hen verdwijnen voordat ze kunnen bijdragen aan watersplitsing", Dr. Fatwa Abdi, deskundige bij HZB-Instituut voor Zonnebrandstoffen wijst erop.

Warmtebehandeling met waterstof

Een mogelijkheid om deze beperking te overwinnen is een warmtebehandeling onder waterstofatmosfeer van de metaaloxidelagen na afzetting. Fatwa Abdi en zijn collega's hebben nu onderzocht hoe deze behandeling de levensduur beïnvloedt, transporteigenschappen en defecten in een van de meest veelbelovende metaaloxide-foto-elektroden, bismutvanadaat (BiVO4).

Levensduur ladingdragers verdubbeld

Tijdsopgeloste geleidbaarheidsmetingen onthulden dat elektronen en gaten meer dan twee keer zo lang leven in het grootste deel van het met waterstof behandelde BiVO4 in vergelijking met het ongerepte BiVO4. Als resultaat, de algehele fotostroom onder zonlicht is grotendeels verbeterd. Verdere metingen in Dresden en theoretische berekeningen door KAUST-collega's in Saoedi-Arabië leverden het bewijs dat de aanwezigheid van waterstof in het metaaloxide puntdefecten in het grootste deel van BiVO4 vermindert of deactiveert. "Onze resultaten laten zien dat waterstofbehandeling leidt tot minder vallen voor ladingsdragers en minder mogelijkheden om te recombineren of te verdwalen. Dus meer ladingsdragers overleven langer en kunnen bijdragen aan watersplitsing", legt Abdi uit.