Hybridsystem aus Halbleiter und Katalysator nutzt sonst verlorengehende Sonnenenergie

Der Großteil des hochenergetischen Sonnenlichts trifft auf ein Blatt und verwandelt sich augenblicklich in nutzlose Wärme. Auch die menschliche Effizienz ist ähnlich begrenzt: Selbst unsere fortschrittlichsten Silizium-Module lassen diese hochenergetische Wärme in weniger als einer Billionstel Sekunde entweichen.

Ein Team am National Laboratory of the Rockies (NLR) hat jedoch endlich herausgefunden, wie man das Blitzlicht einfangen kann, bevor es verschwindet. Die Forscher haben ein hybrides Halbleiter-Katalysator-System entwickelt, das hochenergetisches Sonnenlicht effizienter einfängt als Solarzellen oder Pflanzen. Das System kann hochenergetisches Sonnenlicht leicht einfangen, das sonst als Wärme verloren gehen würde.

Interessanterweise hält dieses Hybridmaterial hochenergetische „heiße Elektronen" 25.000-mal länger aufrecht als herkömmliches Silizium. „Unsere Arbeit zielt darauf ab, die Grenzen dessen zu erweitern, wie viel Energie wir aus der Sonne gewinnen können, und das in dieser Studie eingesetzte Hybrid-System aus Halbleiter und molekularem Katalysator zeigt einen möglichen Weg auf", sagte Nathan Neale, Wissenschaftler am NLR. „Wir haben elektronische Zustände in diesem Hybrid-System identifiziert, die photogenerierte Elektronen so lange energiereich halten, dass sie für chemische Reaktionen nutzbar sind", fügte der Erstautor hinzu.

Hybrid-HalbleitersystemEin Hauptantrieb dieser Forschung ist die

Hybrid-HalbleitersystemEin Hauptantrieb dieser Forschung ist die inhärente Ineffizienz aktueller Lichtsammel-Systeme, bei denen Solarzellen nur etwa 20 % der einfallenden Energie einfangen, während Pflanzen lediglich 1 % nutzen.

Dieser Verlust entsteht, weil hochenergetische Elektronen, die durch Sonnenlicht erzeugt werden, ihre überschüssige Energie als Wärme schnell abgeben, bevor sie in nutzbare Arbeit umgewandelt werden können.

Möglichkeiten zur Vermeidung dieses unmittelbaren Energieverlusts würden dazu beitragen, das enorme Reservoir an Solarenergie zu erschließen, das derzeit verschwendet wird. „Hochenergetische Elektronen verlieren in Materialien ihre Energie oft sehr schnell, indem sie sich mit molekularen Schwingungen koppeln und ihre Umgebung aufheizen", sagte Neale. „Durch das Verschmelzen elektronischer Zustände zwischen dem lichtabsorbierenden Silizium-Halbleiter und dem molekularen Katalysator hielt unser Material die Elektronen mindestens 5 Nanosekunden lang 'heiß', was potenziell genutzt werden könnte, um die Photokatalyse mit überlegener Effizienz anzutreiben." Um dieses Problem zu lösen, verschmolz die neue Methode einen Silizium-Nanokristall mit einem molekularen Katalysator unter Verwendung eines spezifischen chemischen Tethers: einer Ethylpyridin-Einheit.

Dies half, die Oberflächenchemie zu manipulieren

Dies half, die Oberflächenchemie zu manipulieren und die Lebensdauer der „heißen" Elektronenzustände auf 5 Nanosekunden zu verlängern, also etwa 25.000-mal länger als die typische Abkühlungszeit in Silizium. „Die extreme Empfindlichkeit gegenüber der Chemie des Verbindungsteils lehrt uns, dass es nicht ausreicht, lediglich eine räumliche Nähe zwischen einem Halbleiter und einem an einer Oberfläche gebundenen Katalysator herzustellen, um effiziente photoinduzierte Prozesse zu erreichen", so die Forscher.

Zukunftsaussichten: Die Studie verwendete verschiedene spektroskopische Methoden und quantenmechanische Berechnungen, um zu bestätigen, dass die molekulare Verankerung eine einzigartige elektronische Umgebung schafft. Die Ergebnisse zeigten, dass diese gemischten Zustände es heißen Elektronen ermöglichen, gleichzeitig sowohl über das Silizium als auch über den Katalysator zu delokalisieren.

Diese räumliche Verteilung stabilisiert die Elektronen und verhindert den schnellen Energieverlust, der in der Regel die Effizienz der Solarkonversion begrenzt. Obwohl direkte Sonnen-zu-Kraftstoff-Halbleiter noch nicht zum Mainstream gehören, beweist diese Forschung die Machbarkeit, „heiße" Elektronen für hochenergetische chemische Prozesse einzusetzen.

Mit dieser Technik könnten Ingenieure Wasser

Mit dieser Technik könnten Ingenieure Wasser effizient in Wasserstoff spalten oder Kohlendioxid in Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe und Chemikalien umwandeln. Darüber hinaus könnte diese Technologie genutzt werden, um Dünger aus atmosphärischem Stickstoff zu synthetisieren und so einen nachhaltigen Weg für die industrielle Produktion und die Energiegewinnung zu eröffnen.

Die Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.