Neues Mikroskopie-Tool für die Energieforschung
Technologie ermöglicht es Forschenden, die Eigenschaften von Photoelektroden genauer zu untersuchen
Forscher des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität, des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, um Spannungsänderungen auf der Oberfläche von Photoelektroden zu erfassen. Sie nutzen dafür eine neu entwickelte automatisierte Datenanalysemethode. Die in der Fachzeitschrift PRX Energy vorgestellte Methode ermöglicht sogenannte „Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)”-Messungen im Millisekunden-Bereich. Sie funktioniert durch die Entnahme von Informationen, die in jedem Pixel eines KPFM-Bildes enthalten sind, was bisher nicht möglich war. Die so gewonnenen Erkenntnisse können zur Entwicklung effizienterer und stabilerer Materialien für Photoelektrochemische Zellen (PECs) beitragen.
Schematische Darstellung der in der Arbeit vorgestellten Technik. Die Autoren entwickelten ein Analysetool, um mit KPFM eine MS-Auflösung zu erhalten.
Hereon/Dr. Sehun Seo
PECs sind Zellen, die Licht in chemische Energie umwandeln und die nachhaltige Produktion von Wasserstoff und anderen Chemikalien wie z. B. Kraftstoffen unterstützen. Photoelektroden, die zentralen Komponenten von PECs, sind lichtempfindlich und bestehen aus Halbleitern. In PECs absorbieren die Halbleiter Licht und erzeugen dadurch Ladungsträger, die letztlich die chemischen Reaktionen antreiben. Trotz ihres vielversprechenden Potenzials haben sich diese Systeme noch nicht durchgesetzt. Die Effizienz, mit der sie Sonnenlicht in Wasserstoff umwandeln können, ist immer noch geringer als theoretisch vorhergesagt. Außerdem verschlechtert sich ihre Leistung mit der Zeit erheblich.
Um die Effizienz und die Stabilität im Laufe der Zeit zu erhöhen, benötigen die Forschenden zuverlässige Instrumente. Wie etwa die hochaufgelöste Mikroskopie, um zugrunde liegende Struktur und ihre lichtbezogenen (optoelektronischen) Eigenschaften zu untersuchen.
Ein fortschrittliches Mikroskopie-Instrument für die Energieforschung
Das Team der Forschenden hat die Technologie entwickelt, die hierbei helfen kann. Sie ermöglicht es, das Zusammenspiel zwischen der lokalen Morphologie einer Photoelektrode (d.h. der Struktur kleiner Bereiche auf ihrer Oberfläche) und ihrer Ladungstransportdynamik (d.h. wie gut sich Elektronen und Löcher in einem Material bewegen) zu untersuchen.
Der neue Ansatz, der von Prof. Dr. Francesca M. Toma, der Hauptautorin der Arbeit und Leiterin des Instituts für Funktional Materialien für Nachhaltigkeit, vorgestellt wurde, funktioniert durch die Messung winziger Spannungsänderungen. Sie treten in kleinen Bereichen der Oberfläche einer Photoelektrode auf, wenn diese mit Licht bestrahlt wird. Die Forschenden haben ihre Technik in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Lab eingesetzt, um Titandioxid (TiO2) zu untersuchen, ein Halbleitermaterial, das häufig zur Herstellung von Photoelektroden verwendet wird.
„Mit unserer neuen automatisierten Datenanalysemethode können wir winzige Spannungsänderungen auf der Oberfläche einer Photoelektrode bis auf die Millisekunde genau verfolgen, wie es bisher noch nie möglich war", erklärt Dr. Mauricio Schieda, Hauptautor der Arbeit. „Titandioxid ist ein einfaches System, das es uns ermöglichte, diesen Ansatz zu entwickeln. Und außerdem zu zeigen, dass es machbar ist, die Bewegung von Ladungen unter Licht zu verfolgen. Dies bringt uns der Verbesserung der Solartreibstofftechnologien einen Schritt näher."
„Ich fand es spannend, zu verstehen, wie sich die winzige Morphologie einer Photoelektrode darauf auswirkt, wie sich Ladungen bewegen, wenn sie Licht ausgesetzt werden“, sagt Maryam Pourmahdavi, Doktorandin an der Helmut-Schmidt-Universität, die an dem Projekt am Hereon-Institut arbeitet und Erstautorin der Arbeit ist. „Dieses Wissen ist der Schlüssel zum Design von photoelektrochemischen Zellen, die effizienter und langlebiger sind.“
Informationen für das Design zukünftiger Photoelektroden
Mit der entwickelten Technik gewannen die Forschenden neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen der Struktur kleiner Bereiche auf einer Photoelektrode und ihrer Ladungstransportdynamik. Derselbe Ansatz könnte bald auch für die Untersuchung anderer Materialien als TiO2 verwendet werden und so möglicherweise zur Entwicklung effektiverer Photoelektroden für PECs beitragen.
„Diese Arbeit entstand nach jahrelangen Fortschritten unserer Gruppe und der Gemeinschaft bei der Weiterentwicklung von Rasterkraftmikroskopie-Techniken zur Untersuchung photoelektrochemischer Materialien in Kombination mit neueren Data-Science-Ansätzen, die es ermöglichen, immer mehr Informationen aus einem einfachen Bild zu extrahieren“, sagt Prof. Dr. Toma. „Jetzt, da wir das Potenzial der Technik an einem Modellsystem wie TiO2 demonstriert haben, sind wir bereit, viele weitere Materialien zu untersuchen und noch effizientere zu entdecken.“
Originalveröffentlichung
Maryam Pourmahdavi, Mauricio Schieda, Ragle Raudsepp, Steffen Fengler, Jiri Kollmann, Yvonne Pieper, Thomas Dittrich, Thomas Klassen, Francesca M. Toma; "Correlating Local Morphology and Charge Dynamics via Kelvin Probe Force Microscopy to Explain Photoelectrode Performance"; PRX Energy, Volume 4, 2025-6-9
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