09. Juni 2025
Neue Technik ermöglicht es Wissenschaftlern, den Zusammenhang zwischen der mikroskopischen Struktur und den optoelektronischen Eigenschaften von Photoelektroden zu untersuchen
Der vielversprechende Ansatz, der von Forschenden des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität, des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin entwickelt wurde, beruht auf Messungen der Sondenkraftmikroskopie (KPFM), die Spannungsänderungen in kleinen Bereichen auf der Oberfläche von Photoelektroden erfassen, wenn sie Licht ausgesetzt sind. Die mit dieser Technik gewonnenen Erkenntnisse könnten in die Entwicklung effizienterer und stabilerer Photoelektroden für photoelektrochemische Zellen (PECs) einfließen.
PECs sind neu entwickelte Geräte, die Licht in chemische Energie umwandeln können und so die nachhaltige Produktion von Wasserstoff und anderen wertvollen Chemikalien ermöglichen. Trotz ihrer vielversprechenden Perspektive sind diese Geräte noch nicht weit verbreitet, da die Effizienz, mit der sie Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln können, immer noch geringer ist als die theoretischen Vorhersagen und ihre Leistung im Laufe der Zeit tendenziell erheblich nachlässt.
Photoelektroden, zentrale Bestandteile von PECs, sind lichtempfindliche Elektroden aus Halbleitermaterialien, die Licht absorbieren können, Ladungsträger erzeugen und die chemischen Reaktionen antreiben, die letztendlich die Herstellung von Wasserstoff oder anderen Chemikalien ermöglichen. Um die Effizienz zu verbessern, mit der diese Materialien Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln, und ihre Stabilität im Laufe der Zeit zu erhöhen, benötigen Forscher zuverlässige Werkzeuge, um ihre zugrunde liegende Struktur und ihre optoelektronischen Eigenschaften zu untersuchen.
Ein fortschrittliches Mikroskopiewerkzeug für die Energieforschung
Forschende des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität, des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben kürzlich eine neue Technik entwickelt, mit der sich das Zusammenspiel zwischen der lokalen Morphologie einer Photoelektrode (also der Struktur kleiner Bereiche auf ihrer Oberfläche) und ihrer Ladungstransportdynamik (also der Frage, wie gut sich Elektronen und Löcher in einem Material bewegen) untersuchen lässt.
„Ich war begeistert zu verstehen, wie sich die winzige Morphologie einer Photoelektrode darauf auswirkt, wie sich Ladungen bewegen, wenn sie Licht ausgesetzt werden“, sagt Maryam Pourmahdavi, Doktorandin und Erstautorin der Arbeit. „Dieses Wissen ist der Schlüssel zum Design photoelektrochemischer Zellen, die effizienter und langlebiger sind.“ Der von Toma, Schieda, Pourmahdavi und ihren Kollegen vorgestellte Ansatz beinhaltet die Messung winziger Spannungsänderungen, die in kleinen Bereichen der Oberfläche einer Photoelektrode stattfinden, wenn sie Licht ausgesetzt wird, mit einer Technik, die als zeitabhängige KPFM bekannt ist. Die Forscher nutzten ihre Technik bereits, um TiO₂ (Titandioxid) zu untersuchen, ein halbleitendes Material, das häufig zur Herstellung von Photoelektroden für PECs verwendet wird.
„Mit unserer neuen Analysemethode können wir winzige Spannungsänderungen auf der Oberfläche einer Photoelektrode in Echtzeit verfolgen, bis auf die Millisekunde genau“, erklärt Mauricio Schieda, Seniorautor der Arbeit. „Titandioxid ist ein hervorragendes Modellsystem, das uns in die Lage versetzt hat, diesen Ansatz zu entwickeln und zu zeigen, dass es möglich ist, zu verfolgen, wie sich Ladungen unter Licht in seinem Inneren bewegen. Damit kommen wir der Verbesserung der Technologien für solare Brennstoffe einen Schritt näher.“
Information über das Design zukünftiger Photoelektroden
Mit der neuen Technik, die sie entwickelten, sammelten die Forscher wertvolle Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der lokalen Morphologie von TiO₂ und seiner Ladungstransportdynamik. In Zukunft könnte derselbe Ansatz auch für die Untersuchung anderer Materialien verwendet werden, was möglicherweise zur Entwicklung leistungsfähigerer Photoelektroden für PECs beitragen könnte.
„Diese Arbeit wurde erst nach jahrelangen Weiterentwicklungen von fortschrittlichen Rasterkraftmikroskopie-Techniken zur Untersuchung photoelektrochemischer Materialien möglich“, sagt Toma, leitende Autorin der Arbeit. „Jetzt, da wir das Potenzial der Technik mit einem Modellsystem wie TiO2 demonstriert haben, sind wir bereit, viele weitere Materialien zu erforschen und effizientere zu entdecken.“
Diese jüngste Arbeit von Toma und ihren Kollegen könnte helfen, sowohl die Effizienz als auch die Stabilität von PECs zu verbessern, was ihren künftigen Einsatz in realen Szenarien unterstützen würde.
Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Die wissenschaftliche Forschung am Helmholtz-Zentrum Hereon zielt darauf ab, eine lebenswerte Welt zu erhalten. Dafür generieren rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und entwickeln neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle des Klimas, der Küsten und der Menschen. Der Weg von der Idee zur Innovation wird durch ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen experimentellen Studien, Modellierung und KI geebnet, einschließlich digitaler Zwillinge, die die verschiedenen Parameter des Erdklimas, der Küsten und der menschlichen Biologie rechnerisch abbilden. Die Hereon-Forschung verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, der vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme über reale Szenarien bis hin zu praktischen Anwendungen reicht. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Zentrum Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft durch den Transfer seiner Expertise und des erworbenen Wissens.
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