Zonnecellen en fotokathoden gemaakt van koperoxide zouden theoretisch een hoog rendement kunnen halen voor de omzetting van zonne-energie. In praktijk, echter, grote verliezen optreden. Nutsvoorzieningen, een team van de HZB heeft een geavanceerd femtoseconde laserexperiment kunnen gebruiken om te bepalen waar deze verliezen plaatsvinden - niet zozeer aan de interfaces, maar in plaats daarvan, veel meer in het binnenste van het kristallijne materiaal. Deze resultaten geven aanwijzingen voor het verbeteren van koperoxide en andere metaaloxiden voor toepassingen zoals energiematerialen.

Koperoxide (Cu ₂ O) is een veelbelovende kandidaat voor toekomstige conversie van zonne-energie:als fotokathode, het koperoxide (een halfgeleider) kan zonlicht gebruiken om water elektrolytisch te splitsen en zo waterstof te genereren, een brandstof die de energie van zonlicht chemisch kan opslaan.

Koperoxide heeft een bandafstand van twee elektronvolt, wat heel goed aansluit bij het energiespectrum van zonlicht. Perfecte koperoxidekristallen zouden theoretisch een spanning van bijna 1,5 volt moeten kunnen leveren wanneer ze met licht worden verlicht. Het materiaal zou dus perfect zijn als de bovenste absorber in een foto-elektrochemische tandemcel voor watersplitsing. Een energieconversie-efficiëntie van zonne-naar-waterstof tot 18 procent moet haalbaar zijn. Echter, de werkelijke waarden voor de fotospanning liggen aanzienlijk onder die waarde, onvoldoende om van koperoxide een efficiënte fotokathode te maken in een tandemcel voor watersplitsing. Tot nu toe, verliesprocessen nabij het oppervlak of bij grenslagen worden hiervoor voornamelijk verantwoordelijk gehouden.

Een team van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen heeft deze processen nu onder de loep genomen. De groep ontving Cu . van hoge kwaliteit ₂ O eenkristallen van collega's van het California Institute of Technology (Caltech), vervolgens opgedampt een uiterst dun, transparante laag platina erop. Deze platinalaag werkt als een katalysator en verhoogt de efficiëntie van de watersplitsing. Ze onderzochten deze monsters in het femtoseconde laserlaboratorium (1 fs =10 ^-15 s) bij de HZB om te leren welke processen leiden tot het verlies van ladingdragers, en vooral, of deze verliezen zich voordoen in het binnenste van de eenkristallen of op het grensvlak met het platina.

Een groene laserpuls prikkelde aanvankelijk de elektronen in de Cu ₂ O; slechts een fractie van een seconde later, een tweede laserpuls (UV-licht) mat de energie van het aangeslagen elektron. Het team was vervolgens in staat om het belangrijkste mechanisme van fotospanningsverliezen te identificeren door middel van deze in de tijd opgeloste twee-foton-fotonenemissiespectroscopie (tr-2PPE). "We hebben waargenomen dat de aangeslagen elektronen zeer snel werden gebonden in defecte toestanden die in grote aantallen in de bandkloof zelf voorkomen, " meldt eerste auteur Mario Borgwardt, die nu zijn werk voortzet als Humboldt-fellow bij het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS. De coördinator van de studie, Dennis Friedrich, zegt, "Dit gebeurt op een tijdschaal van minder dan één picoseconde (1 ps =10 ^-12 s), d.w.z. extreem snel, vooral vergeleken met het tijdsinterval dat ladingsdragers nodig hebben om van het binnenste van het kristallijne materiaal naar het oppervlak te diffunderen."

"We hebben zeer krachtige experimentele methoden in het femtoseconde laserlaboratorium van de HZB voor het analyseren van energie en dynamica van foto-geëxciteerde elektronen in halfgeleiders. We konden voor koperoxide aantonen dat de verliezen nauwelijks optreden op de grensvlakken met platina, maar in plaats daarvan in het kristal zelf, " zegt Rainer Eichberger, initiatiefnemer van de studie en hoofd van het femtoseconde spectroscopielab.

"Deze nieuwe inzichten zijn onze eerste bijdrage aan het UniSysCat Excellence Cluster aan de Technische Universität Berlin, waarin wij partner zijn, " benadrukt Roel van de Krol, hoofd van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen. UniSysCat richt zich op katalytische processen die plaatsvinden over zeer uiteenlopende tijdschalen:terwijl ladingsdragers extreem snel reageren op excitaties door licht (femtoseconden tot picoseconden), chemische processen zoals (elektro)katalyse vragen vele ordes van grootte meer tijd (milliseconden). Een efficiënte fotochemische conversie vereist dat beide processen samen worden geoptimaliseerd. De huidige resultaten die nu zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie zijn een belangrijke stap in deze richting.