Photoelektrochemische Bauelemente können Sonnenlicht in wertvolle Chemikalien wie Wasserstoff, Ethylen oder Ammoniak umwandeln. Ihre praktische Nutzung wird aber bislang dadurch eingeschränkt, dass sich die verwendeten Materialien während des Betriebs abbauen, also korrodieren. Die Dynamik dieses Prozesses ist bisher nur unzureichend bekannt: Wie schnell schreitet er voran, und welche Bedingungen beeinflussen ihn?
Die Methode der operando-spektroskopischen Ellipsometrie schafft nun für diese Fragestellungen Abhilfe: Sie ermöglicht erstmals, die Korrosion von Photoelektroden in Echtzeit und mit hoher Präzision zu verfolgen. Die Technik misst winzige Veränderungen der Schichtdicke – in der Größenordnung von nur wenigen Nanometern – über die gesamte Elektrodenoberfläche, während das Bauelement unter variierenden elektrochemischen Bedingungen und wechselnder Beleuchtung arbeitet.
Einblicke in dynamische Abbauprozesse
Um zu zeigen, wie die Methode Materialdegradation in lichtgetriebenen elektrochemischen Bauteilen aufdeckt, konzentrierte sich das Team auf ultradünne Schichten aus Titandioxid. Dieses Material ist in Energietechnologien weit verbreitet, etwa in Photoelektroden zur Wasserstofferzeugung, in Solarzellen und in photokatalytischen Systemen. Die Forschenden stellten diese Schichten mit unterschiedlichen inneren Strukturen her und beobachteten, wie sie sich während des Betriebs unter realistischen Bedingungen veränderten.
So konnten sie herausfinden, dass die innere Struktur des Materials eine entscheidende Rolle spielt. Ungeordnete, amorphe Schichten zerfielen unter Sonnenlicht etwa 14-fach schneller als gut geordnete, kristalline Schichten, da sie elektrische Ladungen weniger effizient transportieren. Durch die direkte Erfassung dieser Effekte unter realistischen Einsatzbedingungen liefert die Messtechnik wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung widerstandsfähigerer Systeme.
Neue Wege, um Degradationsmechanismen zu identifizieren
„Die Möglichkeit, Materialveränderungen während des Betriebs live zu beobachten, eröffnet völlig neue Wege, um Degradationsmechanismen zu identifizieren, bevor sie zum Problem werden“, sagt Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Forschungsidee spielte. „So können wir nicht nur bestehende Materialien verbessern, sondern auch schneller neue Konzepte entwickeln, die den zukünftigen Anforderungen an nachhaltige Energiesysteme gerecht werden.“ Die neue Messmethode lässt sich zudem auf viele weitere photoelektrochemische und elektrokatalytische Materialien übertragen. Damit leistet sie einen wichtigen Beitrag für die Weiterentwicklung nachhaltiger Energietechnologien und unterstützt die Energiewende.
Dr. Mauricio Schieda, einer der führenden Autoren der Studie, ergänzt: „Eine höhere Stabilität bedeutet weniger Materialverbrauch, geringeren Wartungsaufwand und sinkende Gesamtkosten. All das sind entscheidende Voraussetzungen für den breiten Einsatz lichtgetriebener Energiewandlungstechnologien."
SIGMATEK.jpg "Multitouch-HMIs für umfangreiche Visualisierungen")
