Herstellung der Photoelektroden: Ein intensiver Laserpuls trifft auf ein Target mit dem Material, verwandelt es in Plasma und scheidet es als Dünnschicht auf einem Substrat ab.

Bild: Dr. Ronen Gottesman, HZB

Thermische Behandlung Solarer Wasserstoff: Verfahren für bessere Photoelektroden gefunden

07.04.2022

Metalloxid-Dünnschichten eignen sich sehr gut als Photoelektroden für die Elektrolyse. Ihre Qualität lässt sich allerdings nur durch thermische Behandlung bei hohen Temperaturen verbessern, was gleichzeitig das darunter liegende Glassubstrat schmilzt. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat das Dilemma nun gelöst.

Photoelektroden bestehen aus halbleitenden Dünnschichten auf transparenten, leitfähigen Glassubstraten. Sonnenlicht kann an den Oberflächen von Photoelektroden elektrochemische Reaktionen direkt anregen und zum Beispiel Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Dadurch lässt sich mit Sonnenlicht grüner Wasserstoff erzeugen.

Metalloxid-Dünnschicht-Photoelektroden sind besonders interessant. Sie bestehen aus reichlich vorhandenen Elementen, die sich potenziell unbegrenzt variieren lassen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen – und das zu vergleichsweise geringen Kosten.

Am HZB-Institut für Solare Brennstoffe beschäftigen sich mehrere Teams mit der Entwicklung solcher Photoelektroden. Die übliche Methode, um sie herzustellen, ist die gepulste Laserdeposition. Ein intensiver Laserpuls trifft dabei auf ein Target, das das Material enthält, und trägt es als hochenergetisches Plasma auf einem Substrat ab.

Weitere Schritte sind jedoch erforderlich, um die Qualität der abgeschiedenen Dünnschicht zu verbessern. So verringert eine thermische Behandlung der Metalloxid-Dünnschicht Defekte und Unvollkommenheiten. Das führt jedoch zu einem Dilemma: Denn um die Konzentration atomarer Defekte wirklich zu senken und die kristalline Ordnung der Metalloxid-Dünnschichten zu verbessern, müssten Temperaturen zwischen 850 und 1.000 °C erreicht werden. Das Glassubstrat schmilzt jedoch bereits bei 550 °C.

850 °C ohne Schmelzen

Dr. Ronen Gottesman vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat dieses Problem nun gelöst. Nach der Abscheidung heizt er die Metalloxid-Dünnschicht mit Hochleistungslampen blitzartig auf. Dabei wird die Dünnschicht auf 850 °C erhitzt, ohne das darunter liegende Glassubstrat zu zerstören.

„Die Hitze reduziert effizient strukturelle Defekte, Fallenzustände, Korngrenzen und Phasenverunreinigungen“, sagt Gottesman. „Wir haben dies nun an Photoelektroden aus Ta2O5, TiO2 und WO3 demonstriert, die wir auf 850 °C erhitzt haben, ohne die Substrate zu beschädigen.“

Neue Rekordleistung bei α-SnWO4

Die neue Methode war auch bei einem Photoelektrodenmaterial erfolgreich, das als guter Kandidat für die solare Wasserspaltung gilt: α-SnWO4. Herkömmliche thermische Behandlung im Ofen hinterlässt Phasenverunreinigungen, das Erhitzen mit dem Rapid Thermal Processing (RTP) hingegen verbesserte die Kristallinität sowie die elektronischen Eigenschaften. Es führte zudem zu einer neuen Rekordleistung von 1 mA/cm2 für dieses Material – 25 Prozent über dem bisherigen Rekord.

„Dies ist auch für die Herstellung von Quantenpunkten oder Halogenidperowskiten interessant, die ebenfalls temperaturempfindlich sind“, erklärt Gottesman.

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