Direkte Beobachtung von zwei Elektronenlöchern in einer Hämatit-Photoanode während der photoelektrochemischen Wasserspaltung

Sichtbare Licht aktive Photoelektroden zur Wasserstofferzeugung durch solarphotoelektrochemische Wasserspaltung stehen seit vielen Jahrzehnten im Fokus. Besonders die Rolle der Elektronenlöcher und der Ladungsübertragung bleibt umstritten. Wir haben die Sauerstoffentwicklung von Hämatit in alkalischem wässrigem Elektrolyt unter einer Vorspannung während der Beleuchtung mit sichtbarem Licht in einer operando photoelektrochemischen Zelle mithilfe von weicher Röntgenstrahl (O 1s) Spektroskopie untersucht. Nur unter diesen Bedingungen entwickeln sich zwei neue spektrale Signaturen im Valenzband, die wir als einen O 2p Lochübergang in das Ladungsübertragungsband und ein Fe 3d Loch in das obere Hubbard-Band identifizieren. Eine quantitative Analyse ihres spektralen Gewichts und der Vergleich mit dem Photostrom zeigt, dass beide Arten von Löchern, entgegen früherer Spekulationen und gängiger Wahrnehmung, zum Photostrom beitragen.