Het produceren van goedkope dunne metaaloxidefilms met een hoge elektronische kwaliteit voor het splitsen van zonnewater is geen gemakkelijke taak. Vooral omdat kwaliteitsverbeteringen van de dunne films van het bovenste metaaloxide thermische verwerking bij hoge temperaturen vereisen, waardoor het onderliggende glassubstraat zou smelten. Nu heeft een team van HZB-Instituut voor Zonnebrandstoffen dit dilemma opgelost:een hoge intensiteit en snelle lichtpuls verwarmt direct de halfgeleidende metaaloxide dunne film, waardoor de optimale verwarmingsomstandigheden worden bereikt zonder het substraat te beschadigen.

Zonne-energie kan direct elektrochemische reacties aansturen aan het oppervlak van foto-elektroden. Foto-elektroden bestaan ​​uit halfgeleidende dunne films op transparante geleidende glazen substraten die licht omzetten in elektriciteit. De meeste foto-elektrochemische onderzoeken hebben zich gericht op watersplitsing, een thermodynamisch opwaartse reactie die een aantrekkelijk pad zou kunnen bieden voor het langdurig opvangen en opslaan van zonne-energie door "groene" waterstof te produceren.

Metaaloxide dunne film foto-elektroden zijn bijzonder interessant voor deze diverse functies. Ze bevatten overvloedige elementen, die potentieel oneindige afstembaarheid bieden om de gewenste eigenschappen te bereiken - tegen potentieel lage kosten.

Gemaakt van plasma

Bij het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen richten meerdere teams zich op de ontwikkeling van dergelijke foto-elektroden. De gebruikelijke methode om ze te produceren is gepulseerde laserdepositie:een intense laserpuls raakt een doelwit dat het materiaal bevat en ablateert het tot een zeer energetisch plasma dat op een substraat wordt afgezet.

Kwaliteit heeft warmte nodig

Verdere stappen zijn nodig om de kwaliteit van de afgezette dunne film te verbeteren. Met name thermische verwerking van de dunne film van metaaloxide vermindert defecten en onvolkomenheden. Dit creëert echter een dilemma:het verminderen van de concentratie van atomaire defecten en verbeteringen in de kristallijne volgorde van de dunne metaaloxidefilms zou thermische verwerkingstemperaturen tussen 850 en 1000 graden Celsius vereisen, maar het glassubstraat smelt al bij 550 graden Celsius.

De dunne film flitsend verwarmen

Dr. Ronen Gottesman van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen heeft dit probleem nu opgelost:na depositie, met behulp van krachtige lampen, verhit hij de dunne metaaloxidefilm. Hierdoor wordt het verwarmd tot 850 graden Celsius zonder het onderliggende glassubstraat te smelten.

"De warmte vermindert op efficiënte wijze structurele defecten, valtoestanden, korrelgrenzen en fase-onzuiverheden, wat een grotere uitdaging zou worden om te verminderen met een toenemend aantal elementen in de metaaloxiden. Daarom zijn nieuwe innovatieve synthesebenaderingen essentieel. We hebben nu aangetoond dit op foto-elektroden gemaakt van Ta₂ O₅ , TiO₂ , en WO₃ , die we tot 850 °C hebben verwarmd zonder de substraten te beschadigen", zegt Gottesman.

Recordprestaties voor α-SnWO₄

De nieuwe methode was ook succesvol met een foto-elektrodemateriaal dat wordt beschouwd als een zeer goede kandidaat voor het splitsen van zonnewater:α-SnWO₄ . Conventionele ovenverwarming laat faseonzuiverheden achter. Snelle thermische verwerking (RTP) verwarming verbeterde kristalliniteit, elektronische eigenschappen en prestaties, wat leidde tot een nieuwe recordprestatie van 1 mA/cm ² voor dit materiaal, 25% hoger dan het vorige record.

"Dit is ook interessant voor de productie van quantum dots of halide perovskieten, die ook temperatuurgevoelig zijn", legt Gottesman uit.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Energy Letters . + Verder verkennen

Zonnewaterstof:fotoanodes beloven hoge efficiëntie