A jövő energiarendszerében nagy mennyiségben lesz szükség hidrogénre, mint energiahordozóra és nyersanyagra. Ehhez azonban a hidrogént klímasemleges módon kell előállítani, például az úgynevezett fotoelektrolízissel, azaz a napfény segítségével a vizet hidrogénre és oxigénre bontva. Fényelektródaként olyan félvezető anyagokra van szükség, amelyek a napfényt elektromos árammá alakítják, és a vízben stabilak maradnak. A fémoxidok a stabil és olcsó fotoelektródok legjobb jelöltjei közé tartoznak. E fémoxidok némelyikének katalitikusan aktív felülete is van, amely felgyorsítja a hidrogénképződést a katódon, illetve az oxigénképződést az anódon.
A kutatások régóta a hematitra (α-Fe2O3) összpontosítanak, amely széles körben rozsdaként ismert. A hematit vízben stabil, rendkívül olcsó és jól használható fotoanódként, továbbá bizonyítottan katalitikus aktivitású az oxigénfejlesztésben. Bár a hematit fotoanódokkal kapcsolatos kutatások már mintegy 50 éve folynak, a fotóáram-átalakítás hatékonysága az elméleti maximális értéknek kevesebb mint 50 százaléka. Összehasonlításképpen, a fotovoltaikus piac közel kilenc tizedét uraló szilícium félvezető anyag fotóáram-hatékonysága az elméleti maximális érték 90 százaléka.
A tudósok sokáig nem értették, hogy pontosan mit hagytak figyelmen kívül? Mi az oka, hogy csak szerény hatékonyságnövekedést sikerült elérni?
A Nature Materials című folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban azonban a Daniel Grave (Ben Gurion Egyetem), Dennis Friedrich Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) és Avner Rothschild (Technion) által vezetett csapat magyarázatot adott arra, hogy miért marad el a hematit ennyire a számított maximális értéktől. A Technion csoportja azt vizsgálta, hogy a hematit vékonyrétegekben elnyelt fény hullámhossza hogyan befolyásolja a fotoelektrokémiai tulajdonságokat, míg a HZB csapata a rozsda vékonyrétegekben a hullámhosszfüggő töltéshordozó-tulajdonságokat határozta meg időfelbontásos mikrohullámú mérésekkel.
Eredményeik kombinálásával a kutatóknak sikerült meghatározniuk az anyag egy olyan alapvető fizikai tulajdonságát, amelyet általában elhanyagoltak a szervetlen napelnyelők vizsgálatakor: a fotogenerációs hozamspektrumot. "Nagyjából ez azt jelenti, hogy a hematit által elnyelt fény energiájának csak egy része hoz létre mozgó töltéshordozókat, a többi inkább lokalizált gerjesztett állapotokat hoz létre, és így elvész" - magyarázta Grave.
"Ez az új megközelítés kísérleti betekintést nyújt a fény-anyag kölcsönhatásba a hematitban, és lehetővé teszi az optikai abszorpciós spektrumának megkülönböztetését produktív abszorpcióra és nem produktív abszorpcióra" - fejtette ki Rothschild professzor. Grave hozzátette, meg tudták mutatni, hogy a hematit fotoanódok konverziós hatékonyságának tényleges felső határa jelentősen alacsonyabb, mint amit a sávhézag feletti abszorpció alapján várnának. Az új számítás szerint a mai "bajnok" hematit fotoanódok már egészen közel kerültek az elméletileg lehetséges maximumhoz. Ennél sokkal jobbat tehát nem lehet elérni.
A megközelítést sikeresen alkalmazták a modellanyagnak számító TiO2-re és a BiVO4-re is, amely jelenleg a legjobb teljesítményű fémoxid fotoanód-anyag. "Ezzel az új megközelítéssel egy olyan hatékony eszközzel bővítettük arzenálunkat, amellyel azonosítani tudjuk a fotoelektróda-anyagok elérhető potenciálját. Ennek új anyagokra történő alkalmazása remélhetőleg felgyorsítja a napenergiás vízbontáshoz ideális fotoelektród felfedezését és fejlesztését. Emellett lehetővé tenné számunkra, hogy 'gyorsan kudarcot valljunk', ami vitathatatlanul ugyanilyen fontos az új abszorberanyagok kifejlesztésekor" - szögezte le Friedrich.
