TUM- und LMU-Forschende entwickeln photoelektrochemische Systeme, die Lichtenergie nutzen, um Energieträger wie Wasserstoff herzustellen. (Foto: Julian Baumann)

Sonnenlicht liefert nicht nur Energie für Solarstrom, sondern es könnte künftig auch direkt nachhaltige Treibstoffe erzeugen. Dafür entwickeln Forschende photoelektrochemische Systeme, die Lichtenergie nutzen, um Energieträger wie Wasserstoff herzustellen. Ein vielversprechendes Halbleitermaterial für Photoelektroden ist Tantalnitrid (Ta3N5), weil es einen Großteil des sichtbaren Sonnenlichtes absorbieren kann. Allerdings beeinträchtigen Materialdefekte, also Unregelmäßigkeiten in der atomaren Struktur, häufig seine Leistungsfähigkeit und Stabilität.

Forschungsteams der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) konnten in einer kürzlich veröffentlichten Studie im Fachmagazin Nature Communications zeigen, dass die äußersten Nanometer der Oberfläche entscheidend die photoelektrochemische Funktionsweise bestimmen. Darin verglichen sie gezielt Ta3N5-Dünnfilm-Photoelektroden mit verschiedenen Defektarten und -konzentrationen und untersuchten erstmals, wie diese die Oberflächeneigenschaften beeinflussen. Die Forschenden, deren Arbeit vom Exzellenzcluster e-conversion gefördert wird, charakterisierten Oberflächen- und Volumeneigenschaften getrennt voneinander und zeigten, dass sich mit einer Oberflächenbehandlung die Effizienz und Stabilität der Photoanoden deutlich verbessern lassen. 

Ein Material für solare Treibstoffe 

Tantalnitrid zählt seit Jahren zu den vielversprechendsten Materialien für die solare Treibstofferzeugung mittels photoelektrochemischer Methoden. Als Photoanode hat es zwei unterschiedliche Aufgaben: Das Materialinnere absorbiert Licht und transportiert die dabei entstehenden Ladungsträger an die Materialoberfläche. Dort werden sie in den Elektrolyten übertragen und können zu chemischen Reaktionen beitragen. Dies geschieht idealerweise, bevor sie durch unerwünschte Reaktionen verbraucht oder durch Defekte eingefangen werden. Letztere bestimmen maßgeblich, wie leistungsfähig das Material ist. Welche Rolle die Oberflächenzusammensetzung und -struktur spielen, stand im Fokus der Münchner Forschungsteams. „Häufig betrachten wir eine Dünnfilm-Photoanode, die weniger als 100 Nanometer dünn ist, als einheitliches Material mit homogener Zusammensetzung und Struktur.“ Unsere Messungen zeigen jedoch, dass die äußersten – weniger als zehn Nanometer – andere strukturelle und chemische Eigenschaften aufweisen als die oberflächenfernen Regionen, sprich das Volumen“, sagt Johanna Eichhorn, Professorin für nanoskalige Mikroskopie und Spektroskopie von Energiematerialien an der TUM. „Erst wenn wir Oberflächen- und Volumeneffekte getrennt betrachten, können wir gezielt die Bereiche optimieren, die den Ladungstransfer und die Stabilität begrenzen.“ 

Der TUM-Physiker und Erstautor der Studie Lukas Wolz im Labor. (Foto: Andreas Heddergott /TUM)

Defekteigenschaften bestimmen auch die Oberflächeneigenschaften 

Für ihre Studie stellten die Forschenden Tantalnitrid-Photoanoden gezielt mit modifizierten Materialeigenschaften her. Im Detail wurden Dünnfilme mit Sauerstoffverunreinigungen und unterschiedlichem Stickstoffgehalt synthetisiert. Durch die Kombination verschiedener Analysemethoden, zu denen Röntgenspektroskopie, Ionenstrahlverfahren sowie tiefenabhängige Röntgenstreuung, Elektronenmikroskopie und Photolumineszenzspektroskopie zählen, gelang es den Forschenden, die Materialeigenschaften von Oberfläche und Volumen getrennt zu untersuchen. Es zeigte sich, dass die Oberflächen aller Ta3N5-Dünnfilme stärker oxidiert, ungeordneter und defektreicher waren als das Materialinnere. Die Ausprägung hing insbesondere von den Defekteigenschaften der Ta3N5-Dünnfilme ab: Enthielten sie viele Sauerstoffverunreinigungen, beobachteten die Forschenden eine eher dicke, amorphe und sauerstoffreiche Oberflächenschicht. Tantalnitrid-Dünnfilme, die eine nahezu ideale Zusammensetzung hatten, stickstoffreich waren oder einen geringen Sauerstoffanteil enthielten, bildeten dagegen eine dünnere und kristallinere Oberfläche aus – allerdings mit mehr Defekten, die den Ladungstransfer behindern können.  

Die Studie zeigt zudem, welche Rolle Sauerstoffverunreinigungen spielen: Diese können einerseits die Kristallstruktur stören, andererseits jedoch schädliche Defekte passivieren. Das Zusammenspiel erklärt, warum die sauerstoffreichen Ta3N5-Photoanoden trotz ihrer ungeordneteren Oberflächen häufig stabiler arbeiteten als die kristallineren Varianten mit geringerem Sauerstoffgehalt. Die Ergebnisse belegen: Eine hohe Oberflächenkristallinität ist keine Garantie für gute photoelektrochemische Eigenschaften. Ausschlaggebend ist vielmehr: Welche Defekte sind vorhanden und wie beeinflussen sie die Materialeigenschaften. Volumen- und Oberflächenmerkmale gezielt und getrennt zu kontrollieren, ist demnach für die Entwicklung effizienter Photoelektroden entscheidend.  

Prof. Johanna Eichhorn, die an TUM School of Natural Sciences forscht, arbeitet an der Entwicklung leistungsfähiger Photoelektroden zur solaren Treibstofferzeugung. (Foto: Julian Baumann)

Eine Minute Flusssäure für mehr Leistung und Stabilität 

Basierend auf ihren Erkenntnissen setzte das Team eine einfache Oberflächenmodifizierung um, indem es die Ta3N5-Photoanoden für eine Minute mit verdünnter Flusssäure behandelte. Die Prozedur entfernt große Teile der ungeordneten, sauerstoffreichen Oberflächenschicht und legt die darunterliegenden kristallineren Regionen frei. Gleichzeitig verbessert sich die Benetzung der Photoanode und damit die Wechselwirkung mit dem Elektrolyten. „Die kurze Behandlung bewirkt eine deutliche Verbesserung der photoelektrochemischen Eigenschaften: Die untersuchten Materialien erzeugten höhere Photoströme, arbeiteten bei geringeren Potenzialen und wiesen eine längere Stabilität auf“, sagt Lukas M. Wolz, Erstautor der Studie. „Das zeigt, dass wir die Grenzfläche gezielt optimieren können, ohne die vorteilhaften Eigenschaften im Volumen zu beeinträchtigen.“  

Oberfläche und Volumen differenziert betrachten  

Die Ergebnisse liefern eine Designstrategie für die Entwicklung leistungsfähiger Photoelektroden zur solaren Treibstofferzeugung. „Mit unserer Studie bieten wir konkrete Einblicke, wie man die Effizienz und Lebensdauer dieser Materialien durch einfache Oberflächenbehandlungen gezielt verbessern kann“, erklärt Eichhorn. Der grundsätzliche Ansatz lässt sich zudem übertragen, da die Herausforderung, Oberflächen- in Volumeneigenschaften zu überführen, auch in anderen Materialsystemen besteht.


Publikation: 

Disentangling surface and bulk properties of Ta3N5 thin films, L. M. Wolz, A. Buyan-Arivjikh, J. F. Dushimineza, J. Dittloff, L. I. Wagner, G. Grötzner, J. L. Blänsdorf, M. Kuhl, S. Levashov, J. Kühne, G. Zhou, S. Matich, S. Santra, V. Streibel, F. Munnik, K. Müller-Caspary, I. D. Sharp, P. Müller-Buschbaum, J. Eichhorn 

https://doi.org/10.1038/s41467-026-76117-y

Kontakt:  

Prof. Dr. Johanna Eichhorn
Technische Universität München
TUM School of Natural Science
Professorship for Nanoscale Microscopy and Spectroscopy of Energy Materials
Webseite: https://www.ph.nat.tum.de/nano/home/
E-Mail: johanna.eichhorn@tum.de