Omzetting van zonne-naar-brandstof biedt een veelbelovende technologie om energieproblemen op te lossen, toch kunnen de prestaties van het apparaat worden beperkt door ongewenste absorptie van zonlicht. Onderzoekers tonen aan dat koperthiocyanaat het transport van gaten in oxide-foto-elektroden kan ondersteunen en een efficiëntie van 4,55 procent van zonne-naar-waterstof in tandem-apparaten mogelijk maakt.

Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing voor de opwekking van waterstofbrandstof wordt beschouwd als de heilige graal van de elektrochemie. Maar om het te bereiken, veel wetenschappers geloven dat de materialen overvloedig en goedkoop moeten zijn.

De meest veelbelovende oxide-fotokathoden zijn koperoxide (Cu ₂ O) foto-elektroden. In 2018 en 2019, onderzoekers van EPFL bereikten kampioensprestaties met cupro-oxide, rivaliserende fotovoltaïsche (PV) op halfgeleiders gebaseerde fotokathoden.

Maar er ontbrak nog een stukje van de puzzel. Zelfs state-of-the-art Cu ₂ O fotokathoden gebruiken nog steeds metalen achtercontacten (koper of goud), waardoor een aanzienlijke elektron-gat-recombinatie mogelijk is. Andere nadelen zijn de hoge kosten en het feit dat het metalen contact geen niet-geabsorbeerd zonlicht doorlaat.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers op EPFL show voor de eerste keer, dat koperthiocyanaat (CuSCN) kan worden gebruikt als transparante en effectieve gatentransportlaag (HTL) voor Cu ₂ O fotokathoden met algehele verbeterde prestaties. Het onderzoek werd geleid door professoren Anders Hagfeldt, Michael Grätzel, en Kevin Sivula bij EPFL's Institute of Chemical Sciences and Engineering.

Gedetailleerde analyse van twee soorten CuSCN toonde aan dat een defecte structuur gunstig zou kunnen zijn voor de geleiding van gaten. Bovendien, vanwege de toevallige uitlijning tussen valentiebanden van CuSCN en Cu ₂ O, de band-staart toestanden ondersteunde gatentransport in CuSCN werd ontdekt om soepele gatengeleiding mogelijk te maken terwijl het elektronentransport efficiënt blokkeert.

De optische voordelen van CuSCN werden verder aangetoond door een stand-alone PEC-PV tandem die een zonne-naar-waterstof efficiëntie van 4,55 procent levert. Deze efficiëntie (4,55 procent voor 12 uur) is momenteel de hoogste van alle Cu ₂ O-gebaseerde dual-absorber tandems.

De studie presenteert een duidelijke en indrukwekkende vooruitgang die verder gaat dan de ultramoderne Cu ₂ O fotokathoden, die kunnen bijdragen en inspireren tot toekomstige ontwikkeling in het veld.

"Hoewel topcijfers worden behaald met het oxidemateriaal in dit werk, wij geloven dat hogere waarden niet ver zijn, " zegt Pan Lingfeng, de eerste auteur van de krant. "Ten minste drie aspecten blijken niet optimaal te zijn, maar verbeteren is zeer goed mogelijk. De efficiëntiewaarde komt steeds dichter bij de waarde die eerder werd beschouwd als de drempel voor commercialisering."