Solarer Wasserstoff: Photoanoden aus α-SnWO4 versprechen hohe Wirkungsgrade

Was an der Grenzfläche zwischen der Photoanode und der Schutzschicht passiert

28.01.2021 - Deutschland

Photoanoden aus Metalloxiden gelten als praktikable Lösung für die Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. So besitzt α-SnWO₄ optimale elektronische Eigenschaften für die photoelektrochemische Wasserspaltung, korrodiert jedoch rasch. Schutzschichten aus Nickeloxid können die Korrosion verhindern, reduzieren jedoch die Photospannung und damit den Wirkungsgrad. Nun hat ein Team am HZB an der Synchrotronquelle BESSY II untersucht, was an der Grenzfläche zwischen der Photoanode und der Schutzschicht genau passiert. Kombiniert mit theoretischen Methoden deuten die Messdaten darauf hin, dass sich dort eine Oxidschicht bildet, die den Wirkungsgrad der Photoanode beeinträchtigt.

Wasserstoff ist ein wichtiger Faktor in einem nachhaltigen Energiesystem. Das Gas speichert Energie in chemischer Form und kann auf vielfältige Weise genutzt werden: als Kraftstoff, als Ausgangsstoff für andere Brennstoffe und Chemikalien oder auch zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen. Wasserstoff lässt sich klimaneutral durch die elektrochemische Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht erzeugen. Die nötige Photospannung und Photostrom liefern geeignete Photoelektroden unter Lichteinfall, die im Wasser stabil bleiben. Einige Metalloxidverbindungen erfüllen diese Vorraussetzungen. So erreichen solare Wasserspalter mit Wismut-Vanadat (BiVO₄)-Photoelektroden bereits heute Wirkungsgrade (Solar-to-Hydrogen) von etwa 8%, was nahe am theoretischen Maximum des Materials liegt (9%). Um Wirkungsgrade jenseits der 9% zu erreichen, werden neue Materialien mit einer kleineren Bandlücke benötigt.

α-SnWO₄: Theoretisch bis 20% Wirkungsgrad möglich

Das Metalloxid α-SnWO₄ hat eine Bandlücke von 1,9 eV, die sich perfekt für die photoelektrochemische Wasserspaltung eignet. Theoretisch könnte eine Photoanode aus diesem Material um die 20% des eingestrahlten Sonnenlichts in chemische Energie, gespeichert in Form von Wasserstoff, umwandeln. Leider zersetzt sich die Verbindung in wässriger Umgebung sehr schnell.

Schutzschicht reduziert die Photospannung

Dünne Schichten aus Nickeloxid (NiO_x) können die α-SnWO₄-Photoanode vor Korrosion schützen. Dabei wurde jedoch auch festgestellt, dass sie die Photospannung deutlich reduzieren. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, hat ein Team um Dr. Fatwa Abdi am HZB-Institut für Solare Brennstoffe die α-SnWO₄/NiO_x-Grenzfläche an BESSY II im Detail analysiert.

HAXPES-Messung an BESSY II

"Wir haben Proben mit unterschiedlichen NiO_x-Dicken mit harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) an BESSY II untersucht und die Messdaten mit Ergebnissen aus Berechnungen und Simulationen interpretiert", sagt Patrick Schnell, Erstautor der Studie und Doktorand in der HI-SCORE International Research School am HZB. "Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Oxidschicht bildet, die die Photospannung reduziert", erklärt Dr. Fatwa Abdi.

Ausblick: Schutzschicht ohne Nachteile

Insgesamt liefert die Studie grundlegende neue Erkenntnisse über die komplexe Natur von Grenzflächen in Metalloxid-basierten Photoelektroden. "Diese Einblicke sind sehr hilfreich für die Entwicklung kostengünstiger, skalierbarer Metalloxid-Photoelektroden", sagt Abdi. α-SnWO₄ ist in dieser Hinsicht besonders vielversprechend. "Wir arbeiten derzeit an einem alternativen Abscheidungsprozess für NiO_x auf α-SnWO₄, der nicht zur Bildung einer Grenzflächenoxidschicht führt. Wenn dies gelingt, erwarten wir, dass sich die photoelektrochemische Leistung von α-SnWO₄ deutlich erhöhen wird."

Originalveröffentlichung

Patrick Schnell, Moritz Kölbach, Markus Schleuning, Keisuke Obata, Rowshanak Irani, Ibbi Y. Ahmet, Moussab Harb, David E. Starr, Roel van de Krol, Fatwa F. Abdi; "Interfacial Oxide Formation Limits the Photovoltage of α‐SnWO4/NiOx Photoanodes Prepared by Pulsed Laser Deposition"; Advanced Energy Materials; 2021

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