#Verbesserter Katalysator für Solarkraftstoffe

Saubere Kraftstoffe wie Wasserstoff können eine wichtige Rolle für die Energiewende spielen – zumindest, wenn sie umweltfreundlich mit Sonnenenergie erzeugt werden. Dafür sind allerdings leistungsfähige Katalysatoren erforderlich. Als vielversprechendes Material gilt Kupferoxid. Doch bisher geht in Kupferoxid-Katalysatoren so viel Ladung verloren, dass sie keine wirtschaftliche Produktion grünen Wasserstoffs ermöglichen. Mit einer neuen Herstellungsmethode ist es Forschenden nun jedoch gelungen, die Anordnung der Kupferoxid-Kristalle im Katalysator so zu gestalten, dass sich die Wasserstoffproduktion um mehr als 70 Prozent erhöht. Mit weiteren Verbesserungen könnte Kupferoxid somit eine preiswerte Möglichkeit bieten, Solarkraftstoffe zu erzeugen.

Im Zuge der Energiewende sollen fossile Brennstoffe zunehmend durch nachhaltige Alternativen ersetzt werden. Um Solarenergie in eine gut speicherbare Form umzuwandeln, die sich leicht in die bestehende Infrastruktur integrieren lässt, können Kraftstoffe wie Wasserstoff in Frage kommen. Allerdings ist die Erzeugung des sogenannten „grünen“ Wasserstoffs, der durch Wasserspaltung mit Hilfe von Sonnenenergie gewonnen wird, bislang nicht wirtschaftlich. Ein Problem besteht darin, geeignete Katalysatoren zu finden, die die Reaktion antreiben. Halbleitermaterialien wie Kupferoxid (Cu2O) gelten zwar theoretisch als vielversprechend, weisen in der Praxis aber bislang zu hohe Ladungsverluste auf.

Ladungsverluste verhindern

Diesem Problem hat sich nun ein Team um Linfeng Pan von der University of Cambridge in Großbritannien gewidmet. „Eine der Herausforderungen bei Kupferoxid ist das Missverhältnis zwischen der Absorptionstiefe des Lichts und der Reichweite der Ladungen innerhalb des Materials“, erklärt Pan. „Dadurch ist der größte Teil des Oxids unterhalb der obersten Materialschicht im Grunde genommen toter Raum.“

Während bei den meisten anderen Materialen für Solarzellen die größten Ladungsverluste an der Oberfläche auftreten, gehen die Ladungen bei Kupferoxid im Inneren der Masse verloren. „Das bedeutet, dass es für die Leistung entscheidend ist, wie die Kristalle gezüchtet werden, aus denen sich das Material zusammensetzt“, sagt Pans Kollege Samuel Stranks. Hier setzte das Team an: Es entwickelte eine Technik, die es ermöglicht, hauchdünne Schichten aus Kupferoxid-Kristallen zu produzieren. Dazu ließen die Forschenden die Kupferoxid-Kristalle bei Raumtemperatur auf einer dünnen Schicht aus Silizium und Gold wachsen.

Effizienter in der Diagonale

Indem sie das Wachstum genau steuerten, konnten die Forschenden beeinflussen, wie sich die einzelnen Kristalle in der Kupferoxid-Schicht ausrichteten. Bei anschließenden Tests stellten sie fest, dass diese Ausrichtung einen bedeutenden Einfluss darauf hat, wie die elektrischen Ladungen durch das Material transportiert werden. „Diese Kristalle sind im Grunde Würfel, und wir fanden heraus, dass sich die Elektronen um eine Größenordnung weiter bewegen, wenn sie sich auf einer Körperdiagonale durch den Würfel bewegen, anstatt entlang der Fläche oder Kante des Würfels“, so Pan. „Je weiter sich die Elektronen bewegen, desto besser ist die Leistung.“

Auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelte das Team eine Kupferoxid-Kathode, die mehr als 70 Prozent mehr Leistung erbrachte als die bisher besten auf dem Markt verfügbaren Modelle auf Basis von Oxid-Halbleitern. „Wir müssen noch weitere Arbeiten durchführen, um die Gründe dafür zu verstehen und die Technik weiter zu optimieren, aber schon jetzt hat die Entdeckung zu einem enormen Leistungssprung geführt“, sagt Stranks. Zudem stellten die Forschenden fest, dass die diagonale Orientierung der Kristalle das Material nicht nur leistungsfähiger, sondern auch stabiler macht. In den Tests ermöglichte dies einen durchgehenden Betrieb über mindestens 120 Stunden.

„Diese Ergebnisse ermöglichen ein neues Maß an Präzision bei der künftigen Entwicklung von Hochleistungs-Kupferoxid-Bauelementen“, schreibt das Team. Auch für andere Oxid-Materialien konnte die neue Technik dabei helfen, Leistungsverluste einzudämmen, etwa im Bereich der Photovoltaik und bei Transistoren. „Es liegt noch ein langer Weg vor uns, aber wir befinden uns auf einem spannenden Kurs“, sagt Stranks. „Für mich ist es interessant, die Physik dieser Materialien mit ihrem Wachstum, ihrer Form und schließlich ihrer Leistung zu verbinden.“

Quelle: Linfeng Pan (University of Cambridge, UK) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07273-8

© wissenschaft.de – Elena Bernard