Deposição de laser pulsado:Um pulso de laser intenso atinge um alvo que contém o material, transformando-o em um plasma que é então depositado como um filme fino em um substrato. Crédito:R. Gottesman/HZB
Produzir filmes finos de óxido metálico de baixo custo com alta qualidade eletrônica para separação solar de água não é uma tarefa fácil. Especialmente porque as melhorias de qualidade dos filmes finos de óxido metálico superior precisam de processamento térmico em altas temperaturas, o que derreteria o substrato de vidro subjacente. Agora, uma equipe do HZB-Institute for Solar Fuels resolveu este dilema:Um pulso de luz de alta intensidade e rápido aquece diretamente o filme fino de óxido metálico semicondutor, permitindo alcançar as condições ideais de aquecimento sem danificar o substrato.
A energia solar pode conduzir diretamente reações eletroquímicas na superfície dos fotoeletrodos. Os fotoeletrodos consistem em filmes finos semicondutores em substratos transparentes de vidro condutor que convertem luz em eletricidade. A maioria dos estudos fotoeletroquímicos se concentrou na divisão da água, uma reação termodinamicamente ascendente que poderia oferecer um caminho atraente para a captura e armazenamento de energia solar a longo prazo, produzindo hidrogênio "verde".
Fotoeletrodos de filme fino de óxido metálico são particularmente interessantes para essas diversas funções. Eles compreendem elementos abundantes, potencialmente oferecendo infinita capacidade de ajuste para alcançar as propriedades desejadas - a custos potencialmente baixos.
Feito de plasma No HZB Institute for Solar Fuels, várias equipes se concentram no desenvolvimento desses fotoeletrodos. O método usual para produzi-los é a deposição de laser pulsado:um pulso de laser intenso atinge um alvo que contém o material e o transforma em um plasma altamente energético depositado em um substrato.
Qualidade precisa de calor Outras etapas são necessárias para melhorar a qualidade do filme fino depositado. Em particular, o processamento térmico do filme fino de óxido de metal reduz defeitos e imperfeições. No entanto, isso cria um dilema:reduzir a concentração de defeitos atômicos e melhorar a ordem cristalina dos filmes finos de óxido metálico exigiria temperaturas de processamento térmico entre 850 e 1.000 graus Celsius - mas o substrato de vidro já derrete a 550 graus Celsius.
Aquecendo o filme fino com flash Dr. Ronen Gottesman, do Instituto HZB para Combustíveis Solares, já resolveu este problema:Após a deposição, usando lâmpadas de alta potência, ele aquece o filme fino de óxido metálico. Isso aquece até 850 graus Celsius sem derreter o substrato de vidro subjacente.
"O calor reduz com eficiência defeitos estruturais, estados de armadilha, contornos de grão e impurezas de fase, que se tornariam mais desafiadores para mitigar com um número crescente de elementos nos óxidos metálicos. Portanto, novas abordagens de síntese inovadoras são essenciais. Agora demonstramos isso em fotoeletrodos feitos de Ta
2 O
5 , TiO
2 , e WO
3 , que aquecemos a 850 °C sem danificar os substratos", diz Gottesman.
Desempenho recorde para α-SnWO4 O novo método também foi bem sucedido com um material de fotoeletrodo que é considerado um bom candidato para separação solar de água:α-SnWO
4 . O aquecimento convencional do forno deixa para trás impurezas de fase. O aquecimento de processamento térmico rápido (RTP) melhorou a cristalinidade, as propriedades eletrônicas e o desempenho, levando a um novo desempenho recorde de 1 mA/cm
2
para este material, superior em 25% ao recorde anterior.
"Isso também é interessante para a produção de pontos quânticos ou perovskitas de haletos, que também são sensíveis à temperatura", explica Gottesman.
A pesquisa foi publicada em
ACS Energy Letters .
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