Solarenergietechnologien, die Solarzellen verwenden, um Sonnenlicht in Strom oder speicherbare Brennstoffe umzuwandeln, gewinnen in einer Welt an Bedeutung, die ihren Energiebedarf über fossile Brennstoffe hinaus sucht.
Die dunkelblauen Solarmodule, die heute auf Dächern und offenen Feldern zu finden sind, bestehen typischerweise aus Silizium, einem gut getesteten Halbleitermaterial. Die Silizium-Photovoltaik-Technologie hat jedoch ihre Grenzen, da sie bis zu 40 % der aus dem Sonnenlicht gewonnenen Energie in Form von Wärmeabfällen verliert. Forscher an der Colorado State University untersuchen radikal neue Wege, um die Solarenergie zu verbessern und der Industrie mehr Möglichkeiten zur Erkundung zu bieten.
CSU-Chemiker schlagen vor, Solarzellen nicht aus Silizium herzustellen, sondern aus einem reichlich verfügbaren natürlichen Material namens Molybdändisulfid. Unter Verwendung einer kreativen Kombination aus photoelektrochemischen und spektroskopischen Techniken führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, die zeigten, dass extrem dünne Filme aus Molybdändisulfid beispiellose Ladungsträgereigenschaften aufweisen, die eines Tages Solartechnologien drastisch verbessern könnten.
Die Experimente wurden von Chemie Ph.D. Studentin Rachelle Austin und Postdoktorand Yusef Farah. Austin arbeitet gemeinsam in den Labors von Justin Sambur, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie, und Amber Krummel, außerordentlicher Professor am selben Fachbereich. Farah ist ein ehemaliger Ph.D. Student in Krummels Labor. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Die Zusammenarbeit brachte Samburs Expertise in der Solarenergieumwandlung unter Verwendung von Materialien im Nanomaßstab und Krummels Expertise in ultraschneller Laserspektroskopie zusammen, um zu verstehen, wie verschiedene Materialien strukturiert sind und wie sie sich verhalten. Samburs Labor interessierte sich für Molybdänsulfid als mögliches alternatives Solarmaterial, basierend auf vorläufigen Daten zu seinen Lichtabsorptionsfähigkeiten, selbst wenn es nur drei Atome dick ist, erklärte Austin.
Dann wandten sie sich an Krummel, dessen Labor ein hochmodernes ultraschnelles Pump-Probe-Transientenabsorptionsspektrometer enthält, das die sequentiellen Energiezustände einzelner Elektronen sehr genau messen kann, wenn sie mit einem Laserpuls angeregt werden. Experimente mit diesem speziellen Instrument können Momentaufnahmen darüber liefern, wie Ladungen in einem System fließen. Austin schuf eine photoelektrochemische Zelle mit einer einzigen atomaren Schicht aus Molybdänsulfid, und sie und Farah verwendeten den Pump-Probe-Laser, um die Abkühlung von Elektronen zu verfolgen, während sie sich durch das Material bewegten.
Was sie fanden, war eine erstaunlich effiziente Umwandlung von Licht in Energie. Noch wichtiger ist, dass die Laserspektroskopie-Experimente es ihnen ermöglichten zu zeigen, warum diese effiziente Umwandlung möglich war.
Sie fanden heraus, dass das Material Licht so gut in Energie umwandelt, weil seine Kristallstruktur es ihm ermöglicht, die Energie sogenannter heißer Ladungsträger zu extrahieren und zu nutzen, bei denen es sich um hochenergetische Elektronen handelt, die kurzzeitig aus ihrem Grundzustand angeregt werden, wenn sie mit ausreichend sichtbarem Licht getroffen werden Licht. Austin und Farah fanden heraus, dass in ihrer photoelektrochemischen Zelle die Energie dieser heißen Ladungsträger sofort in Photostrom umgewandelt wurde, anstatt als Wärme verloren zu gehen. Dieses Phänomen der Extraktion heißer Ladungsträger ist bei herkömmlichen Siliziumsolarzellen nicht vorhanden.
„Diese Arbeit ebnet den Weg, um zu wissen, wie man Reaktoren konstruiert, die diese Materialien im Nanomaßstab für eine effiziente und großtechnische Wasserstoffproduktion enthalten“, sagte Sambur.
Das Projekt war eine Zusammenarbeit mit Professor Andrés Montoya-Castillo und Dr. Thomas Sayer von der University of Colorado Boulder, die theoretische Chemie und Computermodellierung beisteuerten, um die experimentellen Daten zu erklären und zu verifizieren.
„Die Entdeckung erforderte einen ‚Team Science‘-Ansatz, der viele verschiedene Arten von Fachwissen in der computergestützten, analytischen und physikalischen Chemie zusammenbrachte“, sagte Krummel.
Mehr Informationen:
Rachelle Austin et al, Extraktion heißer Ladungsträger aus 2D-Halbleiter-Photoelektroden, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2220333120