Le celle solari e i fotocatodi realizzati con ossido di rame potrebbero teoricamente raggiungere elevate efficienze per la conversione dell'energia solare. In pratica, però, si verificano grosse perdite. Ora, un team dell'HZB è stato in grado di utilizzare un sofisticato esperimento laser a femtosecondi per determinare dove si verificano queste perdite, non tanto alle interfacce, ma invece, molto di più all'interno del materiale cristallino. Questi risultati forniscono indicazioni su come migliorare l'ossido di rame e altri ossidi metallici per applicazioni come i materiali energetici.

Ossido di rame (Cu ₂ O) è un candidato molto promettente per la futura conversione dell'energia solare:come fotocatodo, l'ossido di rame (un semiconduttore) potrebbe essere in grado di utilizzare la luce solare per dividere elettroliticamente l'acqua e quindi generare idrogeno, un combustibile che può immagazzinare chimicamente l'energia della luce solare.

L'ossido di rame ha una banda proibita di due elettronvolt, che si abbina molto bene con lo spettro energetico della luce solare. I cristalli perfetti di ossido di rame dovrebbero teoricamente essere in grado di fornire una tensione vicina a 1,5 volt quando illuminati dalla luce. Il materiale sarebbe quindi perfetto come l'assorbitore più in alto in una cella tandem fotoelettrochimica per la scissione dell'acqua. Dovrebbe essere possibile ottenere un'efficienza di conversione dell'energia solare-idrogeno fino al 18%. Però, i valori effettivi della fototensione sono notevolmente inferiori a tale valore, insufficiente per rendere l'ossido di rame un fotocatodo efficiente in una cella tandem per la scissione dell'acqua. Fino ad ora, i processi di perdita vicino alla superficie o agli strati limite sono stati ritenuti principalmente responsabili di questo.

Un team dell'HZB Institute for Solar Fuels ha ora esaminato più da vicino questi processi. Il gruppo ha ricevuto Cu . di alta qualità ₂ O singoli cristalli dai colleghi del California Institute of Technology (Caltech), poi depositato a vapore un sottilissimo, strato trasparente di platino su di loro. Questo strato di platino funge da catalizzatore e aumenta l'efficienza della scissione dell'acqua. Hanno esaminato questi campioni nel laboratorio laser a femtosecondi (1 fs =10 ^-15 s) presso l'HZB per conoscere quali processi portano alla perdita dei portatori di carica, e in particolare, se queste perdite si verificano all'interno dei singoli cristalli o all'interfaccia con il platino.

Un impulso laser verde inizialmente eccitava gli elettroni nel Cu ₂ O; poche frazioni di secondo dopo, un secondo impulso laser (luce UV) ha misurato l'energia dell'elettrone eccitato. Il team è stato quindi in grado di identificare il meccanismo principale delle perdite di fototensione attraverso questa spettroscopia di emissione di due fotoni-fotoni (tr-2PPE) risolta nel tempo. "Abbiamo osservato che gli elettroni eccitati sono stati legati molto rapidamente in stati di difetto che esistono in gran numero nel band gap stesso, " riporta il primo autore Mario Borgwardt, che ora sta continuando il suo lavoro come borsista Humboldt presso il Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti. Il coordinatore dello studio, Dennis Friedrich, dice, "Questo accade su una scala temporale inferiore a un picosecondo (1 ps =10 ^-12 S), cioè estremamente veloce, soprattutto rispetto all'intervallo di tempo che i portatori di carica devono diffondere dall'interno del materiale cristallino alla superficie."

"Abbiamo metodi sperimentali molto potenti presso il laboratorio laser a femtosecondi dell'HZB per analizzare l'energia e la dinamica degli elettroni fotoeccitati nei semiconduttori. Siamo stati in grado di dimostrare per l'ossido di rame che le perdite difficilmente si verificano alle interfacce con il platino, ma invece nel cristallo stesso, "dice Rainer Eichberger, iniziatore dello studio e responsabile del laboratorio di spettroscopia a femtosecondi.

"Queste nuove intuizioni sono il nostro primo contributo all'UniSysCat Excellence Cluster presso la Technische Universität Berlin, di cui siamo partner, " sottolinea Roel van de Krol, che dirige l'Istituto HZB per i combustibili solari. UniSysCat si concentra sui processi catalitici che avvengono su scale temporali molto diverse:mentre i portatori di carica reagiscono molto rapidamente alle eccitazioni della luce (da femtosecondi a picosecondi), processi chimici come l'(elettro)catalisi richiedono molti ordini di grandezza in più di tempo (millisecondi). Una conversione fotochimica efficiente richiede che entrambi i processi siano ottimizzati insieme. I risultati attuali che sono stati ora pubblicati nella rinomata rivista Comunicazioni sulla natura sono un passo importante in questa direzione.