Deposizione laser pulsata:un intenso impulso laser colpisce un bersaglio contenente il materiale, trasformandolo in un plasma che viene poi depositato come una pellicola sottile su un substrato. Credito:R. Gottesman/HZB
La produzione di film sottili di ossido di metallo a basso costo con un'elevata qualità elettronica per la scissione dell'acqua solare non è un compito facile. Soprattutto perché i miglioramenti della qualità dei film sottili di ossido di metallo superiore richiedono un trattamento termico ad alte temperature, che scioglierebbe il substrato di vetro sottostante. Ora, un team dell'HZB-Institute for Solar Fuels ha risolto questo dilemma:un impulso luminoso ad alta intensità e rapido riscalda direttamente il film sottile di ossido di metallo semiconduttore, consentendo di raggiungere le condizioni di riscaldamento ottimali senza danneggiare il substrato.
L'energia solare può guidare direttamente le reazioni elettrochimiche sulla superficie dei fotoelettrodi. I fotoelettrodi sono costituiti da film sottili semiconduttori su substrati di vetro conduttivo trasparente che convertono la luce in elettricità. La maggior parte degli studi fotoelettrochimici si è concentrata sulla scissione dell'acqua, una reazione termodinamicamente in salita che potrebbe offrire un percorso interessante per la cattura e lo stoccaggio a lungo termine dell'energia solare producendo idrogeno "verde".
I fotoelettrodi a film sottile di ossido di metallo sono particolarmente interessanti per queste diverse funzioni. Comprendono elementi abbondanti, offrendo potenzialmente una sintonizzabilità infinita per ottenere le proprietà desiderate, a costi potenzialmente bassi.
Realizzato al plasma
Presso l'HZB Institute for Solar Fuels, diversi team si concentrano sullo sviluppo di tali fotoelettrodi. Il metodo usuale per produrli è la deposizione laser pulsata:un intenso impulso laser colpisce un bersaglio contenente il materiale e lo abla in un plasma altamente energetico depositato su un substrato.
La qualità ha bisogno di calore
Sono necessari ulteriori passaggi per migliorare la qualità del film sottile depositato. In particolare il trattamento termico del film sottile di ossido di metallo riduce i difetti e le imperfezioni. Tuttavia, questo crea un dilemma:la riduzione della concentrazione dei difetti atomici e il miglioramento dell'ordine cristallino dei film sottili di ossido di metallo richiederebbero temperature di elaborazione termica comprese tra 850 e 1000 gradi Celsius, ma il substrato di vetro fonde già a 550 gradi Celsius.
Riscaldamento flash del film sottile
Il Dr. Ronen Gottesman dell'Istituto HZB per i combustibili solari ha ora risolto questo problema:dopo la deposizione, utilizzando lampade ad alta potenza, riscalda il film sottile di ossido di metallo. Questo lo riscalda fino a 850 gradi Celsius senza fondere il substrato di vetro sottostante.
"Il calore riduce efficacemente i difetti strutturali, gli stati trappola, i bordi dei grani e le impurità di fase, che diventerebbero più difficili da mitigare con un numero crescente di elementi negli ossidi metallici. Pertanto, nuovi approcci di sintesi innovativi sono essenziali. Ora abbiamo dimostrato questo su fotoelettrodi in Ta2 O5 , TiO2 e WO3 , che abbiamo riscaldato a 850 °C senza danneggiare i substrati", afferma Gottesman.
Record di prestazioni per α-SnWO4
Il nuovo metodo ha avuto successo anche con un materiale per fotoelettrodi considerato un ottimo candidato per la scissione dell'acqua solare:α-SnWO4 . Il riscaldamento convenzionale del forno lascia impurità di fase. Il riscaldamento mediante elaborazione termica rapida (RTP) ha migliorato la cristallinità, le proprietà elettroniche e le prestazioni, portando a un nuovo record di prestazioni di 1 mA/cm 2 per questo materiale, superiore del 25% rispetto al record precedente.
"Questo è interessante anche per la produzione di punti quantici o perovskiti ad alogenuri, che sono anche sensibili alla temperatura", spiega Gottesman.
La ricerca è stata pubblicata in ACS Energy Letters . + Esplora ulteriormente
