20.01.2020 - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Photoelektrochemische Wasserspaltungseffizienz erreicht 4,5%

Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoffbrennstoff gilt als der Heilige Gral der Elektrochemie. Aber um dies zu erreichen, müssen die Materialien nach Ansicht vieler Wissenschaftler reichlich und kostengünstig sein.

Die vielversprechendsten Oxid-Photokathoden sind Kupferoxid (Cu2O)-Photoelektroden. In den Jahren 2018 und 2019 erzielten die Forscher der EPFL mit Kupferoxid eine Spitzenleistung, die mit den Fotokathoden auf Basis von Photovoltaik (PV) Halbleitern konkurriert.

Aber es fehlte immer noch ein Teil des Puzzles. Selbst moderne Cu2O-Fotokathoden verwenden immer noch metallische Rückkontakte (Kupfer oder Gold), die eine erhebliche Elektron-Loch-Rekombination ermöglichen. Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und dass der Metallkontakt kein ungedämpftes Sonnenlicht durchlässt.

Nun zeigen Wissenschaftler der EPFL erstmals, dass Kupferthiocyanat (CuSCN) als transparente und effektive Lochtransportschicht (HTL) für Cu2O-Fotokathoden mit insgesamt verbesserter Leistung eingesetzt werden kann. Die Forschung wurde von den Professoren Anders Hagfeldt, Michael Grätzel und Kevin Sivula vom Institut für Chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen der EPFL geleitet.

Detaillierte Analysen an zwei CuSCN-Typen zeigten, dass eine defekte Struktur für die Lochleitung vorteilhaft sein könnte. Darüber hinaus wurde aufgrund der zufälligen Ausrichtung zwischen den Valenzbändern von CuSCN und Cu2O der Bandschwanz-Zustände entdeckt, die den Lochtransport in CuSCN unterstützen, um eine glatte Lochleitung zu ermöglichen und gleichzeitig den Elektronentransport effizient zu blockieren.

Die optischen Vorteile von CuSCN wurden durch ein eigenständiges PEC-PV-Tandem mit einem Solar-Wasserstoff-Wirkungsgrad von 4,55% weiter aufgezeigt. Dieser Wirkungsgrad (4,55% für 12 h) ist derzeit der höchste unter allen Cu2O-basierten Dual-Absorber-Tandems.

Die Studie stellt einen klaren und beeindruckenden Fortschritt über die hochmodernen Cu2O-Fotokathoden hinaus dar, der zur zukünftigen Entwicklung in diesem Bereich beitragen und inspirieren kann.

"Obwohl in dieser Arbeit mit dem Oxidmaterial Spitzenwerte erzielt werden, glauben wir, dass höhere Werte nicht weit entfernt sind", sagt Pan Lingfeng, der Erstautor der Arbeit. "Mindestens drei Aspekte werden als nicht optimal befunden, aber eine Verbesserung ist sehr gut möglich. Der Effizienzwert nähert sich immer mehr dem Wert, der bisher als Schwelle für die Kommerzialisierung galt".

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