Forschende des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität, des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben einen vielversprechenden Ansatz entwickelt: Sie nutzen die Sondenkraftmikroskopie (KPFM), um Spannungsänderungen auf kleinen Bereichen der Oberfläche von Photoelektroden zu messen, wenn diese Licht ausgesetzt werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse könnten direkt in die Entwicklung effizienterer und stabilerer Photoelektroden für photoelektrochemische Zellen (PECs) einfließen.
Photoelektrochemische Zellen (PECs) sind eine vielversprechende, neu entwickelte Technologie, die in der Lage ist, Licht in chemische Energie umzuwandeln. Dadurch ermöglichen sie die nachhaltige Produktion von Wasserstoff und anderen wertvollen Chemikalien. Trotz ihres großen Potenzials sind PECs jedoch noch nicht weit verbreitet. Dies liegt hauptsächlich daran, dass ihre Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff derzeit noch unter den theoretischen Vorhersagen liegt und ihre Leistung über die Zeit hinweg erheblich abnimmt.
Photoelektroden, die Herzstücke von PECs, sind lichtempfindliche Elektroden aus Halbleitermaterialien. Sie haben die Fähigkeit, Licht zu absorbieren, Ladungsträger zu erzeugen und so die chemischen Reaktionen voranzutreiben, die letztendlich die Produktion von Wasserstoff oder anderen wichtigen Chemikalien ermöglichen. Um die Effizienz dieser Materialien bei der Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie zu steigern und ihre Langzeitstabilität zu verbessern, sind Forscher auf zuverlässige Werkzeuge angewiesen. Diese Werkzeuge sollen es ihnen ermöglichen, die grundlegende Struktur und die optoelektronischen Eigenschaften der Photoelektroden präzise zu untersuchen.
Ein fortschrittliches Mikroskopiewerkzeug für die Energieforschung
Ein Team von Forschenden des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität, des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin hat kürzlich eine innovative Technik entwickelt, die es ermöglicht, das Zusammenspiel zwischen der lokalen Morphologie einer Photoelektrode – sprich, der Struktur kleiner Bereiche auf ihrer Oberfläche – und ihrer Ladungstransportdynamik zu untersuchen. Letzteres beschreibt, wie effizient sich Elektronen und Löcher in einem Material bewegen.
Maryam Pourmahdavi, Doktorandin und Erstautorin der Studie, äußert sich begeistert über die neuen Erkenntnisse: „Ich war begeistert zu verstehen, wie sich die winzige Morphologie einer Photoelektrode darauf auswirkt, wie sich Ladungen bewegen, wenn sie Licht ausgesetzt werden“ Sie betont weiter: „Dieses Wissen ist der Schlüssel zum Design photoelektrochemischer Zellen, die effizienter und langlebiger sind.“
Der von Toma, Schieda, Pourmahdavi und ihren Kollegen präsentierte Ansatz basiert auf der zeitabhängigen Sondenkraftmikroskopie (KPFM). Mit dieser Technik können winzige Spannungsänderungen gemessen werden, die in kleinen Oberflächenbereichen einer Photoelektrode auftreten, wenn sie Licht ausgesetzt wird. Die Forscher haben ihre Methode bereits erfolgreich eingesetzt, um Titandioxid (TiO₂) zu untersuchen, ein häufig verwendetes Halbleitermaterial für Photoelektroden in PECs.
„Mit unserer neuen Analysemethode können wir winzige Spannungsänderungen auf der Oberfläche einer Photoelektrode in Echtzeit verfolgen, bis auf die Millisekunde genau“, erklärt Mauricio Schieda, Seniorautor der Arbeit. „Titandioxid ist ein hervorragendes Modellsystem, das uns in die Lage versetzt hat, diesen Ansatz zu entwickeln und zu zeigen, dass es möglich ist, zu verfolgen, wie sich Ladungen unter Licht in seinem Inneren bewegen. Damit kommen wir der Verbesserung der Technologien für solare Brennstoffe einen Schritt näher.“
Information über das Design zukünftiger Photoelektroden
Mithilfe ihrer neu entwickelten Technik konnten die Forscher wertvolle Einblicke in den Zusammenhang zwischen der lokalen Morphologie von Titandioxid (TiO₂) und seiner Ladungstransportdynamik gewinnen. Dieser vielversprechende Ansatz könnte zukünftig auch auf die Untersuchung anderer Materialien ausgeweitet werden. Dies birgt das Potenzial, die Entwicklung leistungsfähigerer Photoelektroden für photoelektrochemische Zellen (PECs) maßgeblich voranzutreiben.
„Diese Arbeit wurde erst nach jahrelangen Weiterentwicklungen von fortschrittlichen Rasterkraftmikroskopie-Techniken zur Untersuchung photoelektrochemischer Materialien möglich“, sagt Toma, leitende Autorin der Arbeit. „Jetzt, da wir das Potenzial der Technik mit einem Modellsystem wie TiO2 demonstriert haben, sind wir bereit, viele weitere Materialien zu erforschen und effizientere zu entdecken.“
Diese jüngste Arbeit von Toma und ihren Kollegen könnte helfen, sowohl Effizienz als auch die Stabilität von PECs zu verbessern, was ihren zukünftigen Einsatz in realen Szenarien unterstützen würde.
Quelle
Helmut-Schmidt-Universität Hamburg (06/2025)
Publikation
Correlating local morphology and charge dynamics via Kelvin probe force microscopy to explain photoelectrode performance, Physical Review Journals, 2025.
https://journals.aps.org/prxenergy/accepted/97076T07Ieb1e20530e813e50de97f8f6e9cbbf92