Teóricamente, las células solares y los fotocátodos hechos de óxido de cobre podrían alcanzar altas eficiencias para la conversión de energía solar. En la práctica, sin embargo, ocurren grandes pérdidas. Ahora, un equipo del HZB ha podido utilizar un sofisticado experimento con láser de femtosegundos para determinar dónde se producen estas pérdidas, no tanto en las interfaces, pero en vez, mucho más en el interior del material cristalino. Estos resultados proporcionan indicaciones sobre cómo mejorar el óxido de cobre y otros óxidos metálicos para aplicaciones como materiales energéticos.

Óxido de cobre (Cu ₂ O) es un candidato muy prometedor para la futura conversión de energía solar:como fotocátodo, el óxido de cobre (un semiconductor) podría usar la luz solar para dividir electrolíticamente el agua y así generar hidrógeno, un combustible que puede almacenar químicamente la energía de la luz solar.

El óxido de cobre tiene una banda prohibida de dos electronvoltios, que coincide muy bien con el espectro energético de la luz solar. Teóricamente, los cristales de óxido de cobre perfectos deberían poder proporcionar un voltaje cercano a 1,5 voltios cuando se iluminan con luz. Por lo tanto, el material sería perfecto como el absorbente superior en una celda en tándem fotoelectroquímica para la división del agua. Debería lograrse una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno de hasta el 18 por ciento. Sin embargo, los valores reales para el fotovoltaje se encuentran considerablemente por debajo de ese valor, insuficiente para hacer del óxido de cobre un fotocátodo eficiente en una celda en tándem para la división del agua. Hasta ahora, Los procesos de pérdida cerca de la superficie o en las capas límite han sido los principales responsables de esto.

Un equipo del Instituto HZB de Combustibles Solares ahora ha examinado más de cerca estos procesos. El grupo recibió Cu de alta calidad ₂ O cristales únicos de colegas del Instituto de Tecnología de California (Caltech), luego depositó vapor en una extremadamente delgada, capa transparente de platino sobre ellos. Esta capa de platino actúa como catalizador y aumenta la eficiencia de la división del agua. Examinaron estas muestras en el laboratorio de láser de femtosegundos (1 fs =10 ^-15 s) en el HZB para conocer qué procesos conducen a la pérdida de portadores de carga, y en particular, si estas pérdidas ocurren en el interior de los monocristales o en la interfaz con el platino.

Un pulso de láser verde inicialmente excitó los electrones en el Cu ₂ O; solo fracciones de segundo después, un segundo pulso de láser (luz ultravioleta) midió la energía del electrón excitado. Luego, el equipo pudo identificar el mecanismo principal de las pérdidas de fotovoltaje a través de esta espectroscopía de emisión de fotones y fotones de resolución temporal (tr-2PPE). "Observamos que los electrones excitados se unían muy rápidamente en estados defectuosos que existen en grandes cantidades en la banda prohibida misma, "informa el primer autor Mario Borgwardt, quien ahora continúa su trabajo como miembro de Humboldt en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los EE. UU. El coordinador del estudio, Dennis Friedrich, dice, "Esto sucede en una escala de tiempo de menos de un picosegundo (1 ps =10 ^-12 s), es decir, extremadamente rápido, especialmente en comparación con el intervalo de tiempo que los portadores de carga necesitan difundirse desde el interior del material cristalino a la superficie ".

"Tenemos métodos experimentales muy poderosos en el laboratorio de láser de femtosegundos del HZB para analizar la energía y la dinámica de los electrones fotoexcitados en semiconductores. Pudimos demostrar para el óxido de cobre que las pérdidas apenas ocurren en las interfaces con el platino". pero en cambio en el cristal mismo, "dice Rainer Eichberger, iniciador del estudio y jefe de laboratorio de espectroscopia de femtosegundos.

"Estos nuevos conocimientos son nuestra primera contribución al Clúster de Excelencia UniSysCat en la Technische Universität Berlin, en el que somos socio, "destaca Roel van de Krol, quien dirige el Instituto HZB de Combustibles Solares. UniSysCat se centra en procesos catalíticos que tienen lugar en escalas de tiempo muy diversas:mientras que los portadores de carga reaccionan extremadamente rápido a las excitaciones de la luz (de femtosegundos a picosegundos), Los procesos químicos como la (electro) catálisis requieren muchos órdenes de magnitud más tiempo (milisegundos). Una conversión fotoquímica eficiente requiere que ambos procesos se optimicen juntos. Los resultados actuales que ahora se han publicado en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza son un paso importante en esta dirección.