Winzige Titanbarriere stoppt großes Problem bei der Herstellung von Brennstoffzellen

Was wäre, wenn wir Sonnenlicht und Wasser in Treibstoff verwandeln könnten? Das ist die Idee hinter bestimmten Arten von Solarzellen. Diese als farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische Zellen bekannten Geräte nutzen die im Sonnenlicht enthaltene Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Wasserstoff selbst kann als Kraftstoff verwendet werden, oder er kann zur Herstellung anderer Arten von Kraftstoffen verwendet werden. Das Problem? Die für die Wasserspaltung notwendigen Bedingungen neigen dazu, die Solarzelle zu beschädigen. Jetzt haben die Forscher eine stabilere, farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische Zelle entwickelt.

Diese Studie stellt ein neues Design für eine stabilere, effizientere wasserspaltende Solarzelle vor. Bei der Erstellung des Designs machte das Team Entdeckungen über einen wichtigen Teil der Zelle. Insbesondere haben sie einen besseren Überblick darüber, was passiert, wenn das Material, das Elektronen aus dem Sonnenlicht gewinnt, auf das Material trifft, das Wasser zur Kraftstoffherstellung spaltet. Folgearbeiten, die auf diesen und anderen Studien basieren, könnten die Tür zu effizienten und stabilen Geräten öffnen, die aus Sonnenlicht Kraftstoff erzeugen.

Grüne Blattpflanzen wandeln Sonnenlicht leicht in energiegeladene Brennstoffe um. Herkömmliche Solarzellen nicht. Warum nicht? Eine Schlüsselreaktion, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet, findet nur unter harten Bedingungen statt, die das Zellmaterial schädigen. Insbesondere erfolgt die Wasserspaltung unter stark oxidierenden Bedingungen (gleiche Art von Bedingungen, die Eisen zum Rosten bringen). Forscher entwickelten eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die diesen harten Bedingungen standhält. Er weist eine gute Stromdichte auf und ist stabiler als seine Vorgänger. Im neuen Design beschichtete das Team die molekularen Komponenten der Festkörperzelle mit einer dünnen (2 Nanometer) Titandioxidschicht.

Zunächst beeinträchtigte die Beschichtung die Leistung der Zelle ein wenig. Um den Leistungsverlust auszugleichen, hat das Team den Farbstoff von der Solid-Solution-Schnittstelle abgekoppelt. Diese Änderung ermöglicht die Verwendung von Farbstoffen, die mehr Licht absorbieren (Arbeiten im sichtbaren Bereich). Außerdem können Wissenschaftler den pH-Wert optimieren, um das Wasser effizienter zu spalten. Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt nach vorne bei der solarbetriebenen Wasserspaltung. Das Design nutzt die Vorteile der Wissenschaft, die im Rahmen des Programms Solar Photochemistry des Department of Energy und der damit verbundenen Energy Frontier Research Centers in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt wurde.

Mehr Informationen:
Pengtao Xu et al. Farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische Wasseroxidation durch eine vergrabene Verbindung, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1804728115

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