Solceller och fotokatoder gjorda av kopparoxid skulle teoretiskt kunna uppnå hög verkningsgrad för solenergiomvandling. I praktiken, dock, stora förluster uppstår. Nu, ett team på HZB har kunnat använda ett sofistikerat femtosekundlaserexperiment för att avgöra var dessa förluster äger rum - inte så mycket vid gränssnitten, men istället, mycket mer i det inre av det kristallina materialet. Dessa resultat ger indikationer på hur man kan förbättra kopparoxid och andra metalloxider för applikationer som energimaterial.

Kopparoxid (Cu ₂ O) är en mycket lovande kandidat för framtida solenergiomvandling:som fotokatod, kopparoxiden (en halvledare) kanske kan använda solljus för att elektrolytiskt dela vatten och därmed generera väte, ett bränsle som kemiskt kan lagra solljusets energi.

Kopparoxid har ett bandgap på två elektronvolt, som matchar mycket väl med solljusets energispektrum. Perfekta kopparoxidkristaller borde teoretiskt sett kunna ge en spänning nära 1,5 volt när de belyses med ljus. Materialet skulle alltså vara perfekt som den översta absorbatorn i en fotoelektrokemisk tandemcell för vattenspjälkning. En energiomvandlingseffektivitet från sol-till-väte på upp till 18 procent bör kunna uppnås. Dock, de faktiska värdena för fotospänningen ligger betydligt under det värdet, otillräcklig för att göra kopparoxid till en effektiv fotokatod i en tandemcell för vattenspjälkning. Tills nu, förlustprocesser nära ytan eller vid gränsskikt har i huvudsak hållits ansvariga för detta.

Ett team på HZB Institute for Solar Fuels har nu tittat närmare på dessa processer. Gruppen fick Cu av hög kvalitet ₂ O enkristaller från kollegor vid California Institute of Technology (Caltech), sedan ångavsatte en extremt tunn, genomskinligt lager av platina på dem. Detta platinaskikt fungerar som en katalysator och ökar effektiviteten av vattenklyvning. De undersökte dessa prover i femtosekundlaserlaboratoriet (1 fs =10 ^-15 s) på HZB för att lära sig vilka processer som leder till förlust av laddningsbärare, och i synnerhet, om dessa förluster inträffar i det inre av enkristallerna eller vid gränsytan med platina.

En grön laserpuls exciterade initialt elektronerna i Cu ₂ O; bara bråkdelar av en sekund senare, en andra laserpuls (UV-ljus) mätte energin hos den exciterade elektronen. Teamet kunde sedan identifiera huvudmekanismen för fotospänningsförluster genom denna tidsupplösta två-foton-foton emissionsspektroskopi (tr-2PPE). "Vi observerade att de exciterade elektronerna mycket snabbt var bundna i defekta tillstånd som finns i stort antal i själva bandgapet, " rapporterar första författare Mario Borgwardt, som nu fortsätter sitt arbete som Humboldt-stipendiat vid Lawrence Berkeley National Laboratory i USA. Studiens koordinator, Dennis Friedrich, säger, "Detta händer på en tidsskala på mindre än en pikosekund (1 ps =10 ^-12 s), dvs extremt snabbt, speciellt jämfört med det tidsintervall som laddningsbärare behöver diffundera från det inre av det kristallina materialet till ytan."

"Vi har mycket kraftfulla experimentella metoder vid femtosekundlaserlaboratoriet i HZB för att analysera energi och dynamik hos fotoexciterade elektroner i halvledare. Vi kunde visa för kopparoxid att förlusterna knappast inträffar vid gränssnitten med platina, men istället i själva kristallen, säger Rainer Eichberger, initiativtagare till studien och chef för femtosekundspektroskopilabbet.

"Dessa nya insikter är vårt första bidrag till UniSysCat Excellence Cluster vid Technische Universität Berlin, där vi är en partner, " betonar Roel van de Krol, som leder HZB Institute for Solar Fuels. UniSysCat fokuserar på katalytiska processer som äger rum över mycket olika tidsskalor:medan laddningsbärare reagerar extremt snabbt på excitationer av ljus (femtosekunder till pikosekunder), kemiska processer såsom (elektro)katalys kräver många storleksordningar längre tid (millisekunder). En effektiv fotokemisk omvandling kräver att båda processerna optimeras tillsammans. De aktuella resultaten som nu har publicerats i den välrenommerade tidskriften Naturkommunikation är ett viktigt steg i denna riktning.