Schutzschicht für das „Künstliche Blatt”

Die Skizze zeigt den Aufbau der Probe: die n-dotierte Siliziumschicht (schwarz), eine dünne Siliziumoxidschicht (grau), eine Zwischenschicht (gelb) und schließlich die Schutzschicht (braun), auf der die Katalysatorpartikel mit dem Elektrolyten (grün) in Kontakt kommen. (Bild: M. Lublow)

Die Skizze zeigt den Aufbau der Probe: die n-dotierte Siliziumschicht (schwarz), eine dünne Siliziumoxidschicht (grau), eine Zwischenschicht (gelb) und schließlich die Schutzschicht (braun), auf der die Katalysatorpartikel mit dem Elektrolyten (grün) in Kontakt kommen. (Bild: M. Lublow)

Ein Team am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin hat ein Verfahren ent­wick­elt, um em­pfind­li­che Halb­­leiter für die solare Wasser­­spaltung mit einer or­ga­ni­schen trans­pa­renten Schutz­schicht zu versehen. Die extrem dünne Lage aus vernetzten Kohlen­stoff­­atomen ist stabil und leit­fä­hig und mit Ka­ta­ly­sa­tor-Na­no­­par­ti­keln aus Metall­oxiden bedeckt. Diese be­schleu­ni­gen die Spaltung von Wasser unter Licht­einstrahlung. Die so her­ge­stell­te Hybrid­struktur zeigt als Photo­anode für die Sauerstoff­entwicklung Strom­dichten von über 15 mA/cm2.

Ein „künstliches Blatt“ besteht im Prinzip aus einer Solar­zelle, die mit weiteren funktionalen Schichten kombiniert wird. Diese wirken als Elektroden und sind außerdem mit Katalysatoren beschichtet. Wird das komplexe Material­system in Wasser getaucht und beleuchtet, kann es Wasser­moleküle zerlegen. Dabei entsteht Wasser­stoff, der die Sonnen­energie in chemischer Form speichert. Nach dem gegen­wärtigen Stand der Technik gibt es jedoch noch mehrere Probleme: Zum einen muss trotz der zusätzlichen Material­schichten noch ausreichend Licht in die Solar­zelle gelangen, um die Spannung für die Wasser­spaltung zu erzeugen. Darüber hinaus halten die Halb­leiter­materialien, aus denen Solar­zellen in der Regel bestehen, dem mit Säure versetzten Wasser nicht lange stand. Daher braucht das „künstliche Blatt“ eine stabile Schutz­schicht, die gleich­zeitig transparent und leitfähig sein muss.

Das Team arbeitete mit Proben aus Silizium, einem n-dotierten Halbleiter­material, das als einfache Solar­zelle bei Beleuchtung eine Spannung liefert. Die Material­wissenschaftlerin Anahita Azarpira aus der Gruppe von Thomas Schedel-Niedrig präparierte diese Proben so, dass sich zunächst Ketten von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen auf der Silizium­oberfläche bildeten. „In einem weiteren Schritt habe ich dann Nano­partikel aus dem Katalysator Ruthenium­dioxid abgeschieden“, erklärt Azarpira. Als Ergebnis bildete sich eine leitfähige und stabile Polymer­struktur von nur drei bis vier Nano­metern Dicke. Dabei waren die Reaktionen in der elektrochemischen Präparations­zelle überaus kompliziert und konnten erst jetzt am HZB aufgeschlüsselt werden.

Mit diesem neuen Verfahren erfahren die Ruthenium­dioxid-Partikel zum ersten Mal eine doppelte Nutzung: Zuerst sorgen sie dafür, dass eine effektive organische Schutz­schicht entsteht. Damit werden die üblicher­weise sehr komplizierten Verfahren zur Herstellung von Schutz­schichten wesentlich vereinfacht. Erst dann erledigen sie ihren „normalen Job“ und beschleunigen die Aufspaltung von Wasser in Sauer­stoff und Wasser­stoff.

Die so geschützte Silizium-Elektrode erreicht Stromdichten von über 15 mA/cm2. Dies belegt die hohe Leit­fähigkeit der Schutz­schicht, was keineswegs selbst­verständlich für eine organische Lage ist. Während der gesamten Messdauer von 24 Stunden beobachteten die Forscher außerdem keine Degradation der Zelle, die Ausbeute blieb stabil. Bemerkenswert ist, dass bisher ein ganz anderes Material als organische Schutz­schicht favorisiert wurde: Graphen. Dieses vieldiskutierte zwei­dimensionale Material ließ sich jedoch bisher nur eingeschränkt für elektro­chemische Prozesse einsetzen, während die am HZB entwickelte Schutz­schicht sehr gut funktioniert. „Weil sich das neuartige Material sowie das Abscheidungs­verfahren auch für andere Anwendungen eignen könnten, streben wir nun internationale Schutz­rechte an“, sagt Schedel-Niedrig. (Quellen: HZB / pro-physik.de)

Referenz: A. Azarpira et al.: Sustained Water Oxidation by Direct Electrosynthesis of Ultrathin Organic Protection Films on Silicon, Adv. Energy Mater., online 11. März 2016; DOI: 10.1002/ aenm.201502314

Link: Institut für Solare Brennstoffe (R. van de Kroel), Helmholtz-Zentrum Berlin

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