Eine Möglichkeit zur künstlichen Photosynthese

Schematische Darstellung der Ladungsrekombination, wenn freie Ladungsträger in dem Material Licht ausgesetzt werden und sich gegenseitig auslöschen. (Credits: Image courtesy: Masashi Kato from Nagoya Institute of Technology)
Schematische Darstellung der Ladungsrekombination, wenn freie Ladungsträger in dem Material Licht ausgesetzt werden und sich gegenseitig auslöschen. (Credits: Image courtesy: Masashi Kato from Nagoya Institute of Technology)

Seit vielen Jahren sind Wissenschaftler auf die Entwicklung von Technologien fokussiert, die uns bei der Bekämpfung des Klimawandels helfen können. Sie haben ein Ziel gemeinsam: Das Finden von nachhaltigen Energiequellen, die die umweltschädigenden toxischen fossilen Brennstoffe ersetzen können. “Photokatalysatoren”, die einen künstlichen Prozess anstoßen, welcher die Photosynthese nachbildet (wobei Sonnenenergie in nützliche Substanzen umgewandelt wird), sind in dieser Hinsicht vielversprechend, wenn man bedenkt, dass wir imstande sind, die dafür erforderliche Technologie zu entwickeln. Kristalline Materialien wie Strontiumtitanat (SrTiO3), die als Photokatalysatoren in sonnenbetriebenen Geräten dienen können, können uns in diese Richtung führen.

Strontiumtitanat ist auch aus anderen Gründen attraktiv, etwa aufgrund seiner potenziellen Anwendungen in Brennstoffzellenkomponenten. Die flüchtige Natur von Strontiumtitanat hat Physiker dazu angespornt, seine verschiedenen Materialeigenschaften detailliert zu untersuchen. Aber um tiefer in die Eigenschaften von Strontiumtitanat vorzudringen, müssen wir etwas mehr über sie erfahren.

Photokatalytische Materialien wie Strontiumtitanat werden normalerweise mit Substanzen wie Niob “gedoped”, die dabei helfen, ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Aber in Photokatalysatoren kann ein als Ladungsrekombination bezeichneter Prozess auftreten, der ihre Effizienz reduziert. Bei diesem Prozess können sich freie Ladungsträger in dem Material (etwa Elektronen und “Löcher”) unter Lichteinfluss gegenseitig auslöschen. Manche Studien haben ergeben, dass die Ladungsrekombination durch die Anwesenheit von Defekten in Kristallen beeinflusst wird.

Wie beeinflusst das “Dopen” mit Niob die Materialeigenschaften von Strontiumtitanat? Genau das wollte ein Team am Nagoya Institute of Technology unter Leitung von Professor Masashi Kato herausfinden.

In ihrer Studie im Journal of Physics D: Applied Physics betrachteten die Forscher die Effekte von gering konzentriertem Niob-Doping und keinem Doping auf die Oberflächenrekombination in Strontiumtitanatkristallen. “Die Effekte von Oberflächenstörungen und Niob-Unreinheiten in Strontiumtitanat auf die Ladungsträgerrekombination quantitativ zu messen, kann uns helfen, Photokatalysatoren mit einer optimalen Struktur für künstliche Photosynthese zu entwerfen”, sagte Kato.

Die Wissenschaftler analysierten zuerst die Oberflächenrekombination oder die “Zerfallsmuster” von unverbesserten Strontiumtitanatproben sowie jene, die mit unterschiedlichen Konzentrationen von Niob “gedoped” wurden. Dafür nutzten sie eine Methode, bei der die Fotoleitfähigkeit mittels Mikrowellen gemessen wird. Um die Ladungsträgerrekombination der verbesserten Proben und verschiedene Energielevel tiefgehender zu untersuchen, wurde eine Methode verwendet, die als zeitaufgelöste Photolumineszenz bezeichnet wird.

Die Forscher stellten fest, dass die Rekombination angeregter Ladungsträger nicht von ihrer Konzentration abhing, was darauf hindeutet, dass sie sich über Oberflächenprozesse und Shockley-Read-Hall-Prozesse rekombinierten (die gegenüber angeregter Ladungskonzentration unempfindlich sind). Darüber hinaus zeigte die behandelte Probe schnellere Zerfallskurven, was an der Einführung eines Rekombinationszentrums durch das Niob-Doping liegen könnte. Das Doping des Materials mit hohen Niob-Konzentrationen zeigte negative Auswirkungen auf das Doping der Ladungsträger. Außerdem beeinflusste die Größe des Photokatalysators und nicht seine Form die Oberflächenrekombination und letztendlich die gesamte Effizienz.

Die Studie schlussfolgert, dass Strontiumtitanat, welches moderat mit Niob “gedoped” wurde, tatsächlich nützlicher sein könnte als reines Strontiumtitanat – insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen. Diese Ergebnisse können uns helfen, Photokatalysatoren aus Strontiumtitanat mit einer geringeren Oberflächenrekombination und höherer Energieumwandlungsrate zu entwerfen, was zur Entwicklung effizienter und nachhaltiger Energiequellen führt.

“Wir sind sicher, dass unsere Ergebnisse die Entwicklung künstlicher Photosynthesetechnologien beschleunigen kann, was letztlich zu einer grüneren, nachhaltigeren Gesellschaft beiträgt”, sagte Kato optimistisch.

Quelle

(THK)

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