Ein Forschungsteam am Helmholtz-Zentrum Hereon hat eine innovative Methode entwickelt, um den Materialabbau von Photoelektroden in Solarzellen in Echtzeit zu überwachen. Diese neue Technik ermöglicht eine präzise Erfassung von Materialverlusten und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Analyse der Stabilität von Solarzellen und anderen photoelektrochemischen Bauteilen dar. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden kürzlich in der Fachzeitschrift EES Solar veröffentlicht und bieten wertvolle Einblicke in die Dynamik von Materialabbauprozessen unter realistischen Betriebsbedingungen.
Photoelektrochemische Bauelemente haben das Potenzial, Sonnenlicht in nützliche Chemikalien wie Wasserstoff, Ethylen oder Ammoniak umzuwandeln. Jedoch wird ihre praktische Anwendung durch den Abbau der verwendeten Materialien während des Betriebs, insbesondere durch Korrosion, stark eingeschränkt. Bisher war wenig über die Geschwindigkeit und die Einflussfaktoren dieses Abbauprozesses bekannt. Hier kommt die neuartige Methode der operando-spektroskopischen Ellipsometrie ins Spiel, die es nun erlaubt, die Korrosion von Photoelektroden in Echtzeit zu verfolgen.
Diese Technik misst präzise minimale Änderungen in der Schichtdicke der Elektroden, die im Bereich von nur wenigen Nanometern liegen. Dies geschieht, während das Bauelement unter variierenden elektrochemischen Bedingungen und wechselnder Beleuchtung arbeitet. Um die Wirksamkeit der Methode zu demonstrieren, konzentrierten sich die Forscher auf ultradünne Schichten aus Titandioxid, einem Material, das weit verbreitet in der Energieerzeugung eingesetzt wird, etwa in Solarzellen und bei der Wasserstoffproduktion.
Die Forscher stellten diese Schichten mit unterschiedlichen inneren Strukturen her und beobachteten die Veränderungen, die während des Betriebs auftraten. Es wurde festgestellt, dass die innere Struktur des Materials einen entscheidenden Einfluss auf die Abbaurate hat. So zerfielen ungeordnete, amorphe Schichten unter Lichteinwirkung bis zu 14-mal schneller als gut geordnete, kristalline Schichten. Dieser Unterschied ist auf die ineffiziente elektrische Ladungsübertragung in amorphen Materialien zurückzuführen.
Durch die Fähigkeit, Materialveränderungen während des Betriebs live zu beobachten, können Forscher nun Degradationsmechanismen identifizieren, bevor sie zu ernsthaften Problemen werden. Prof. Francesca Toma, die das Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit am Helmholtz-Zentrum leitet und maßgeblich an der Entwicklung dieser Forschungsidee beteiligt war, betont die Bedeutung dieser Methode für die Verbesserung bestehender Materialien sowie für die schnellere Entwicklung neuer Konzepte, die den Anforderungen an nachhaltige Energiesysteme gerecht werden.
Ein weiterer Vorteil dieser innovativen Messtechnik ist ihre Übertragbarkeit auf eine Vielzahl anderer photoelektrochemischer und elektrokatalytischer Materialien. Dies könnte einen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger Energietechnologien leisten und die Energiewende unterstützen. Dr. Mauricio Schieda, einer der Hauptautoren der Studie, hebt hervor, dass eine erhöhte Stabilität nicht nur den Materialverbrauch reduziert, sondern auch den Wartungsaufwand verringert und somit die Gesamtkosten senkt. Diese Faktoren sind entscheidend für den breiten Einsatz von Technologien zur lichtgetriebenen Energieumwandlung.
Das Helmholtz-Zentrum Hereon verfolgt das Ziel, eine lebenswerten Welt zu erhalten. Rund 1.000 Mitarbeiter erforschen neue Technologien, die Resilienz und Nachhaltigkeit fördern – zum Wohle des Klimas, der Küsten und der Menschen. Der Innovationsprozess umfasst eine kontinuierliche Wechselwirkung zwischen experimentellen Studien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz, um komplexe Systeme besser zu verstehen und praxisnahe Anwendungen zu entwickeln. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken unterstützt das Hereon Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Insgesamt bietet die neu entwickelte Methode zur Messung des Materialabbaus in Solarzellen und anderen elektrochemischen Geräten nicht nur tiefere Einblicke in die Mechanismen der Materialdegradation, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für die Entwicklung robusterer und effizienterer Energiesysteme.
