Células solares e fotocátodos feitos de óxido de cobre poderiam teoricamente atingir altas eficiências para conversão de energia solar. Na prática, Contudo, grandes perdas ocorrem. Agora, uma equipe do HZB foi capaz de usar um experimento sofisticado de laser de femtossegundo para determinar onde essas perdas ocorrem - não tanto nas interfaces, mas ao invés, muito mais no interior do material cristalino. Esses resultados fornecem indicações sobre como melhorar o óxido de cobre e outros óxidos de metal para aplicações como materiais energéticos.

Óxido de cobre (Cu ₂ O) é um candidato muito promissor para a conversão futura de energia solar:como fotocátodo, o óxido de cobre (um semicondutor) pode ser capaz de usar a luz solar para dividir eletroliticamente a água e, assim, gerar hidrogênio, um combustível que pode armazenar quimicamente a energia da luz solar.

O óxido de cobre tem um gap de dois elétron-volts, que combina muito bem com o espectro de energia da luz solar. Cristais de óxido de cobre perfeitos deveriam teoricamente ser capazes de fornecer uma voltagem próxima a 1,5 volts quando iluminados com luz. O material seria, portanto, perfeito como o absorvedor superior em uma célula tandem fotoeletroquímica para separação de água. Uma eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio de até 18% deve ser alcançada. Contudo, os valores reais para a fotovoltagem ficam consideravelmente abaixo desse valor, insuficiente para tornar o óxido de cobre um fotocátodo eficiente em uma célula tandem para separação de água. Até agora, processos de perda próximos à superfície ou em camadas limites foram os principais responsáveis ​​por isso.

Uma equipe do HZB Institute for Solar Fuels examinou mais de perto esses processos. O grupo recebeu Cu de alta qualidade ₂ Ó cristais únicos de colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em seguida, depositou vapor de uma forma extremamente fina, camada transparente de platina sobre eles. Esta camada de platina atua como um catalisador e aumenta a eficiência da separação da água. Eles examinaram essas amostras no laboratório de laser de femtossegundo (1 fs =10 ^-15 s) no HZB para saber quais processos levam à perda de portadores de carga, e em particular, se essas perdas ocorrem no interior dos monocristais ou na interface com a platina.

Um pulso de laser verde excitou inicialmente os elétrons no Cu ₂ O; apenas frações de segundo depois, um segundo pulso de laser (luz ultravioleta) mediu a energia do elétron excitado. A equipe foi então capaz de identificar o principal mecanismo de perdas de fotovoltagem por meio dessa espectroscopia de emissão de dois fótons-fótons resolvida no tempo (tr-2PPE). "Observamos que os elétrons excitados foram rapidamente ligados em estados de defeito que existem em grande número no próprio intervalo de banda, "relata o primeiro autor Mario Borgwardt, que agora continua seu trabalho como bolsista Humboldt no Lawrence Berkeley National Laboratory nos EUA. O coordenador do estudo, Dennis Friedrich, diz, "Isso acontece em uma escala de tempo de menos de um picossegundo (1 ps =10 ^-12 s), ou seja, extremamente rápido, especialmente em comparação com o intervalo de tempo que os portadores de carga precisam se difundir do interior do material cristalino para a superfície. "

"Temos métodos experimentais muito poderosos no laboratório de laser de femtossegundo do HZB para analisar a energia e a dinâmica de elétrons fotoexcitados em semicondutores. Fomos capazes de mostrar para o óxido de cobre que as perdas dificilmente ocorrem nas interfaces com a platina, mas em vez disso, no próprio cristal, "diz Rainer Eichberger, iniciador do estudo e chefe do laboratório de espectroscopia de femtosegundo.

"Esses novos insights são nossa primeira contribuição para o UniSysCat Excellence Cluster na Technische Universität Berlin, em que somos parceiros, "enfatiza Roel van de Krol, que dirige o HZB Institute for Solar Fuels. UniSysCat se concentra em processos catalíticos que ocorrem em escalas de tempo muito diversas:enquanto os portadores de carga reagem extremamente rapidamente às excitações por luz (femtossegundos a picossegundos), processos químicos como (eletro) catálise requerem muitas ordens de magnitude mais tempo (milissegundos). Uma conversão fotoquímica eficiente requer que ambos os processos sejam otimizados juntos. Os resultados atuais que já foram publicados na conceituada revista Nature Communications são um passo importante nessa direção.