Pulsad laseravsättning:En intensiv laserpuls träffar ett mål som innehåller materialet och omvandlar det till ett plasma som sedan avsätts som en tunn film på ett substrat. Kredit:R. Gottesman/HZB
Att producera tunna filmer av metalloxid till låg kostnad med hög elektronisk kvalitet för uppdelning av solvatten är ingen lätt uppgift. Speciellt eftersom kvalitetsförbättringar av de tunna filmerna av övre metalloxid kräver termisk bearbetning vid höga temperaturer, vilket skulle smälta det underliggande glassubstratet. Nu har ett team på HZB-Institute for Solar Fuels löst detta dilemma:En hög intensitet och snabb ljuspuls värmer direkt upp den halvledande metalloxid-tunna filmen, vilket gör det möjligt att uppnå de optimala uppvärmningsförhållandena utan att skada substratet.
Solenergi kan direkt driva elektrokemiska reaktioner vid ytan av fotoelektroder. Fotoelektroder består av halvledande tunna filmer på transparenta ledande glassubstrat som omvandlar ljus till elektricitet. De flesta fotoelektrokemiska studier har fokuserat på vattenspjälkning, en termodynamiskt uppförsbacke som skulle kunna erbjuda en attraktiv väg för långsiktig infångning och lagring av solenergi genom att producera "grönt" väte.
Metalloxid-tunnfilmsfotoelektroder är särskilt intressanta för dessa olika funktioner. De innehåller rikligt med element, som potentiellt erbjuder oändlig inställning för att uppnå de önskade egenskaperna – till potentiellt låga kostnader.
Tillverkad av plasma
På HZB Institute for Solar Fuels fokuserar flera team på att utveckla sådana fotoelektroder. Den vanliga metoden för att producera dem är pulsad laseravsättning:en intensiv laserpuls träffar ett mål som innehåller materialet och tar bort det till en högenergisk plasma som avsätts på ett substrat.
Kvalitet behöver värme
Ytterligare steg behövs för att förbättra kvaliteten på den avsatta tunna filmen. Speciellt termisk bearbetning av metalloxidens tunnfilm reducerar defekter och ofullkomligheter. Detta skapar dock ett dilemma:Att minska koncentrationen av atomdefekter och förbättringar i kristallin ordning av metalloxid-tunna filmer skulle kräva termiska bearbetningstemperaturer mellan 850 och 1000 grader Celsius – men glassubstratet smälter redan vid 550 grader Celsius.
Flash-uppvärmning av den tunna filmen
Dr. Ronen Gottesman från HZB Institute for Solar Fuels har nu löst detta problem:Efter deponering, med hjälp av kraftfulla lampor, flashvärmer han den tunna metalloxidfilmen. Detta värmer upp till 850 grader Celsius utan att smälta det underliggande glassubstratet.
"Värmen reducerar effektivt strukturella defekter, fälltillstånd, korngränser och fasföroreningar, vilket skulle bli svårare att mildra med ett ökande antal element i metalloxiderna. Därför är nya innovativa syntesmetoder viktiga. Vi har nu visat detta på fotoelektroder gjorda av Ta2 O5 , TiO2 , och WO3 , som vi värmde till 850 °C utan att skada substraten", säger Gottesman.
Rekordprestanda för α-SnWO4
Den nya metoden var också framgångsrik med ett fotoelektrodmaterial som anses vara en mycket bra kandidat för solvattenklyvning:α-SnWO4 . Konventionell ugnsuppvärmning lämnar efter sig fasföroreningar. Uppvärmning med snabb termisk bearbetning (RTP) förbättrade kristallinitet, elektroniska egenskaper och prestanda, vilket ledde till en ny rekordprestanda på 1 mA/cm 2 för detta material, högre med 25 % än det tidigare rekordet.
"Detta är också intressant för produktionen av kvantprickar eller halidperovskiter, som också är temperaturkänsliga", förklarar Gottesman.
Forskningen publicerades i ACS Energy Letters . + Utforska vidare
