{"id":45628,"date":"2017-09-07T07:23:31","date_gmt":"2017-09-07T05:23:31","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=45628"},"modified":"2017-09-05T12:28:13","modified_gmt":"2017-09-05T10:28:13","slug":"solarer-wasserstoff-mit-kuenstlichem-blatt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/solarer-wasserstoff-mit-kuenstlichem-blatt\/","title":{"rendered":"Solarer Wasserstoff mit \u201ek\u00fcnstlichem Blatt\u201c"},"content":{"rendered":"
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Grafik: HZB – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Metall-Oxide sind als preiswerte und stabile Photoelektroden f\u00fcr die Aufspaltung von Wasser mit Sonnenlicht im Gespr\u00e4ch. Leider lassen sich mit dieser Materialklasse bisher nur mittelm\u00e4\u00dfig hohe Wirkungsgrade erzielen. Mit einer W\u00e4rmebehandlung unter Wasserstoff-Atmosph\u00e4re l\u00e4sst sich die Effizienz jedoch etwas steigern. Nun hat eine internationale Kooperation herausgefunden, welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen. Die Ergebnisse zeigen Wege zu effizienteren und gleichzeitig preisg\u00fcnstigen Materialsystemen f\u00fcr die solare Wasserstoffproduktion.<\/strong><\/p>\n

Die Energieversorgung basiert noch immer zu einem Gro\u00dfteil auf fossilen Ressourcen. Dass sich dies rasch \u00e4ndern muss, ist unbestritten. Eine Alternative zu fossilem Erdgas ist Wasserstoff. Wasserstoff hat eine enorme Energiedichte, kann gespeichert oder weiterverarbeitet werden, z.B. zu Methan, oder in einer Brennstoffzelle sauberen Strom erzeugen. Und wenn Wasserstoff allein mit Sonnenlicht produziert wird, w\u00e4re es eine komplett erneuerbare Energieressource, deren Verbrauch klimaneutral ist.<\/p>\n

K\u00fcnstliches Blatt<\/h3>\n

Die Natur macht es mit der Photosynthese vor: Sonnenlicht l\u00e4sst sich nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Dies gelingt auch mit k\u00fcnstlich hergestellten Materialsystemen aus photoaktiven, halbleitenden Schichten: \u201eK\u00fcnstliche Blatt\u201d-Systeme schaffen im Extremfall sogar Wirkungsgrade von \u00fcber 15%, weit mehr als das nat\u00fcrliche Vorbild (1-2%). Solche Rekord-Wirkungsgrade wurden bisher jedoch nur mit einer teuren Materialkombination erreicht, die im Kontakt mit Wasser nicht lange stabil blieb. Damit solar erzeugter Wasserstoff wirklich auf den Markt kommen kann, m\u00fcssen solche Systeme langzeitstabil, preiswert und effizient zugleich sein.<\/p>\n

Spitzenkandidaten mit einem Nachteil<\/h3>\n

Komplexe Metall-Oxide sind sehr gute Kandidaten f\u00fcr k\u00fcnstliche Blatt-Systeme: Sie sind preiswert und stabil, auch in w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen. Wissenschaftler am HZB-Institut f\u00fcr Solare Brennstoffe arbeiten intensiv daran, diese Materialklasse weiterzuentwickeln. Bislang zeigen Photoelektroden aus Metall-Oxiden allerdings nur moderate Wirkungsgrade (< 8%). Einer der Gr\u00fcnde liegt in der schlechten Beweglichkeit der Ladungstr\u00e4ger, die bis zu 100.000 mal schlechter ist als in klassischen Halbleitermaterialien wie Silizium oder Gallium-Arsenid. \u201eDass die Ladungstr\u00e4ger langsam sind, w\u00e4re nicht mal so schlimm. Das Problem ist, dass sie oft sehr kurze Lebensdauern haben, im Bereich von Piko- oder sogar Nanosekunden. Viele verschwinden so schnell, dass sie \u00fcberhaupt nicht zur Aufspaltung von Wasser beitragen\u201c, erkl\u00e4rt HZB-Forscher Dr. Fatwa Abdi.<\/p>\n

W\u00e4rmebehandlung mit Wasserstoff<\/h3>\n

Dagegen hilft eine W\u00e4rmebehandlung unter Wasserstoff-Atmosph\u00e4re, nachdem die Mteall-Oxid-Schichten deponiert wurden. Fatwa Abdi und Kollegen haben nun in Bismuth-Vanadat (BiVO4<\/sub>), einem der interessanten Materialien f\u00fcr Photoelektroden, untersucht, warum diese Behandlung die Lebensspanne der Ladungstr\u00e4ger verbessert.<\/p>\n

Lebenszeit der Ladungstr\u00e4ger verdoppelt<\/h3>\n

Mit zeitaufgel\u00f6sten Leitf\u00e4higkeitsmessungen zeigten sie, dass sowohl Elektronen als auch L\u00f6cher in Wasserstoff-behandeltem BiVO4<\/sub> mehr als doppelt so lange \u201e\u00fcberleben\u201c als im unbehandelten Material. Dadurch steigt auch der Photostrom unter Sonnenlicht deutlich, was sich positiv auf die Effizienz auswirkt. Weitere Messungen der Dresdner Kooperationspartner sowie Berechnungen der Partner von KAUST, Saudi Arabien, belegen: Durch die Behandlung werden Wasserstoff-Atome in die Metall-Oxid-Schicht eingebaut und damit Defekte inaktiviert und reduziert. \u201eDamit gibt es im Material weniger \u201cFallen\u201d, in denen Ladungstr\u00e4ger verloren gehen oder rekombinieren. Dadurch k\u00f6nnen mehr Ladungstr\u00e4ger zum Aufspalten des Wassers beitragen\u201c, erkl\u00e4rt Abdi.<\/p>\n

 <\/p>\n

Die Studie ist publiziert in Advanced Energy Materials (25. August 2017): Enhancing Charge Carrier Lifetime in Metal Oxide Photoelectrodes through Mild Hydrogen Treatment (<\/a>DOI: 10.1002\/aenm.201701536)<\/p>\n

Ji-Wook Jang, Dennis Friedrich, S\u00f6nke M\u00fcller, Marlene Lamers, Hannes Hempel, Sheikha Lardhi, Zhen Cao, Moussab Harb, Luigi Cavallo, Ren\u00e9 Heller, Rainer Eichberger, Roel van de Krol, and Fatwa F. Abdi<\/em>*<\/p>\n

 <\/p>\n

Kontakte<\/h3>\n

Dr. Fatwa Firdaus Abdi
\nTel (030) 8062-42093
\nFax (030) 8062 – 42434
\nE-Mail: fatwa.abdi@helmholtz-berlin.de<\/a><\/p>\n

Prof. Dr. Roel van de Krol
\nTel (030) 8062-43035
\nFax (030) 8062 – 42434
\nE-Mail: roel.vandekrol@helmholtz-berlin.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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