Neues Mikroskopie-Tool für die Energieforschung

fTeilen

Hereon-Technologie ermöglicht es Forschenden, die Eigenschaften von
Photoelektroden genauer zu untersuchenForscher des Helmholtz-Zentrums Hereon, der Helmut-Schmidt-Universität,
des Lawrence Berkeley National Lab und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben
einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, um Spannungsänderungen auf der
Oberfläche von Photoelektroden zu erfassen.

Sie nutzen dafür eine neu
entwickelte automatisierte Datenanalysemethode. Die in der Fachzeitschrift
PRX Energy vorgestellte Methode ermöglicht sogenannte „Kelvin Probe Force
Microscopy (KPFM)”-Messungen im Millisekunden-Bereich. Sie funktioniert
durch die Entnahme von Informationen, die in jedem Pixel eines KPFM-Bildes
enthalten sind, was bisher nicht möglich war. Die so gewonnenen
Erkenntnisse können zur Entwicklung effizienterer und stabilerer
Materialien für photoelektrochemische Zellen (PECs) beitragen.

PECs sind Zellen, die Licht in chemische Energie umwandeln und die
nachhaltige Produktion von Wasserstoff und anderen Chemikalien wie z. B.
Kraftstoffen unterstützen. Photoelektroden, die zentralen Komponenten von
PECs, sind lichtempfindlich und bestehen aus Halbleitern. In PECs
absorbieren die Halbleiter Licht und erzeugen dadurch Ladungsträger, die
letztlich die chemischen Reaktionen antreiben. Trotz ihres
vielversprechenden Potenzials haben sich diese Systeme noch nicht
durchgesetzt. Die Effizienz, mit der sie Sonnenlicht in Wasserstoff
umwandeln können, ist immer noch geringer als theoretisch vorhergesagt.
Außerdem verschlechtert sich ihre Leistung mit der Zeit erheblich.

Um die Effizienz und die Stabilität im Laufe der Zeit zu erhöhen,
benötigen die Forschenden zuverlässige Instrumente. Wie etwa die
hochaufgelöste Mikroskopie, um zugrunde liegende Struktur und ihre
lichtbezogenen (optoelektronischen) Eigenschaften zu untersuchen.

Ein fortschrittliches Mikroskopie-Instrument für die Energieforschung
Das Team der Forschenden hat die Technologie entwickelt, die hierbei
helfen kann. Sie ermöglicht es, das Zusammenspiel zwischen der lokalen
Morphologie einer Photoelektrode (d.h. der Struktur kleiner Bereiche auf
ihrer Oberfläche) und ihrer Ladungstransportdynamik (d.h. wie gut sich
Elektronen und Löcher in einem Material bewegen) zu untersuchen.
Der neue Ansatz, der von Prof. Dr. Francesca M. Toma, der Hauptautorin der
Arbeit und Leiterin des Instituts für Funktional Materialien für
Nachhaltigkeit, vorgestellt wurde, funktioniert durch die Messung winziger
Spannungsänderungen. Sie treten in kleinen Bereichen der Oberfläche einer
Photoelektrode auf, wenn diese mit Licht bestrahlt wird. Die Forschenden
haben ihre Technik in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National
Lab eingesetzt, um Titandioxid (TiO2) zu untersuchen, ein
Halbleitermaterial, das häufig zur Herstellung von Photoelektroden
verwendet wird.

„Mit unserer neuen automatisierten Datenanalysemethode können wir winzige
Spannungsänderungen auf der Oberfläche einer Photoelektrode bis auf die
Millisekunde genau verfolgen, wie es bisher noch nie möglich war", erklärt
Dr. Mauricio Schieda, Hauptautor der Arbeit. „Titandioxid ist ein
einfaches System, das es uns ermöglichte, diesen Ansatz zu entwickeln. Und
außerdem zu zeigen, dass es machbar ist, die Bewegung von Ladungen unter
Licht zu verfolgen. Dies bringt uns der Verbesserung der
Solartreibstofftechnologien einen Schritt näher."

„Ich fand es spannend, zu verstehen, wie sich die winzige Morphologie
einer Photoelektrode darauf auswirkt, wie sich Ladungen bewegen, wenn sie
Licht ausgesetzt werden“, sagt Maryam Pourmahdavi, Doktorandin an der
Helmut-Schmidt-Universität, die an dem Projekt am Hereon-Institut arbeitet
und Erstautorin der Arbeit ist. „Dieses Wissen ist der Schlüssel zum
Design von photoelektrochemischen Zellen, die effizienter und langlebiger
sind.“

Informationen für das Design zukünftiger Photoelektroden
Mit der entwickelten Technik gewannen die Forschenden neue Erkenntnisse
über den Zusammenhang zwischen der Struktur kleiner Bereiche auf einer
Photoelektrode und ihrer Ladungstransportdynamik. Derselbe Ansatz könnte
bald auch für die Untersuchung anderer Materialien als TiO2 verwendet
werden und so möglicherweise zur Entwicklung effektiverer Photoelektroden
für PECs beitragen.
„Diese Arbeit entstand nach jahrelangen Fortschritten unserer Gruppe und
der Gemeinschaft bei der Weiterentwicklung von Rasterkraftmikroskopie-
Techniken zur Untersuchung photoelektrochemischer Materialien in
Kombination mit neueren Data-Science-Ansätzen, die es ermöglichen, immer
mehr Informationen aus einem einfachen Bild zu extrahieren“, sagt Prof.
Dr. Toma. „Jetzt, da wir das Potenzial der Technik an einem Modellsystem
wie TiO2 demonstriert haben, sind wir bereit, viele weitere Materialien zu
untersuchen und noch effizientere zu entdecken.“

Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer
lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und
Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der
Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen
Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu
Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste
oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird
interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen
Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen
geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen
Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt
das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft
und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.