Nanostrukturen für eine effiziente Lichtsammlung
Die photoelektrochemische Wasserspaltung ist ein vielversprechender und umweltfreundlicher Weg für die Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff. Die rasante Rekombination von Ladungsträgern bleibt aber die größte Hürde für eine Verbesserung der Umwandlungseffizienz. In dem EU-finanzierten Projekt "Nanophotonics for efficient solar-to-H2 energy conversion" (NFESEC) entwickelten Wissenschaftler neue photonische Nanoarchitekturen, um die Erzeugung und Trennung der Ladungsträger zu verbessern. Bismutvanadat (BiVO4) und Plasmonen-Strukturen sind in der Lage, Licht im Nanometerbereich zu manipulieren und zu beschränken, was neue Möglichkeiten zur Steigerung des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff liefert. Der Hauptgrund für die dominierende Elektron-Loch-Rekombination ist die kurze Diffusionslänge der photoangeregten Ladungsträger. Um dieses Problem anzugehen, führte die Wissenschaftler umfangreiche Studien zur Nanostrukturierung durch, wobei ein spezieller Fokus auf der Verkürzung der Ladungsträgerweglänge lag. Photonische Strukturen wie BiVO4 haben eine Bandstruktur, die sich gut für die mögliche Verwendung als Photoanode in der Solarwasserspaltung eignet. Plasmonen-Metall-Bausteine mit einer starken Oberflächen-Plasmonresonanz (SPR) können als Antennen fungieren, die optische Energie lokalisieren und die Position der Ladungsträgererzeugung steuern. Die Wechselwirkung von lokalisierten elektrischen Feldern um die Plasmonen-Metallpartikel mit einem benachbarten Halbleiter stellt einen Weg für die selektive Bildung von Elektron-Loch-Paaren dar. Die Wissenschaftler kombinierten BiVO4-inverse Opale mit SPR-Effekten von Gold-Nanopartikeln, und verbesserten so Lichtabsorption und Ladungsträgertrennung. Durch Hinzufügen einer Halbleiterschicht ohne Muster zu der inversen Opalstruktur hemmten die Wissenschaftler den Lichtverlust durch Reflexion. Die neuartigen Photoanoden von NFESEC wiesen die höchste Dichte unter den oxidbasierten Arten auf: vier mal höher als die von unstrukturierten planaren Photoanoden. Die Projektergebnisse tragen zur Entwicklung neuartiger nanophotonischer Strukturen mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften für die effiziente Ernte von Sonnenlicht bei. Die Nanoarchitekturen der neuen Photoelektroden sollen den Umwandlungswirkungsgrad von Sonnenlicht erhöhen.
Schlüsselbegriffe
Nanophotonisch, Wasserstoff, Wasserspaltung, Solarenergie, Energieumwandlung
