Photoelektrochemische Mulitabsorber-Schichtverbindungen zur direkten Energieumwandlung der Sonnenenergie wurden im letzten Jahrzehnt erheblich verbessert, wobei Solar-zu-Wasserstoff-Wandlungseffizienzen von beinahe 20% erreicht wurden. Dennoch liegen diese Effizienzen immer noch weit unter ihrem zu erwartendem physikalischen Potential. Daher ist ein tieferes Verständnis der Bandenergiediagramme entlang der funktionalen Grenzflächen gerade im Kontakt zum flüssigen Elektrolyten erforderlich, um Potential- und Ladungsübertragungsverluste zu identifizieren, die die Umwandlungseffizienz der gesamten photoelektrochemischen Zelle begrenzen.

Zu diesem Zweck wurden Modelloberflächen aus klassischen elementaren (Si) und binären (InP) Halbleitern präpariert und hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur sowie der Bildung elektronischer Oberflächenzustände mittels Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Die Wechselwirkung dieser Oberflächen mit Wasser wurde durch die Modellierung der elektrochemischen Grenzflächen im Ultrahochvakuum mithilfe eines gefrorenen Elektrolyt-Ansatzes bei Tieftemperaturadsorptionsexperimenten untersucht. Abhängig von der Oberflächenterminierung und der Oberflächenzustandsdichte zeigten die Oberflächen eine Verschiebung des Fermi-Niveaus in Richtung des Vakuumniveaus, was auf eine Elektroneninjektion im Kontakt mit den Wassermolekülen durch die Wechselwirkung mit ungesättigten Oberflächenbindungen hinweist. Die Kontaktbildung des Photoabsorbers zum Edelmetallkatalysator führte zu einer Elektronenverarmungsschicht, die als Barriere für die Ladungsübertragung wirkt und somit nennenswerte Umwandlungseffizienzen verhindert. Die Verwendung von TiO₂ als Pufferschicht zwischen dem Photoabsorber und dem Katalysator schien hingegen die starke Elektronenverarmung des Photoabsorbers teilweise zu verhindern. Dieser Effekt hängt jedoch stark von den Eigenschaften der TiO₂-Schicht ab, die sich aus dem verwendeten Herstellungsprozess ergeben. Um eine verlustfreie Ladungsübertragung vom Photoabsorber zum Katalysator zu gewährleisten, müssen diese weiter optimiert werden. Die abgeleiteten Energiebanddiagramme aus den modellierten Grenzflächenexperimenten helfen, die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Zelle unter Anwendung zu verstehen. Wenn jedoch präparationsbedingte mikrostrukturelle Effekte wie laterale Inhomogenitäten oder die mechanische und strukturelle Stabilität berücksichtigt werden, scheinen die abgeleiteten Energiebanddiagramme die elektrochemische Leistungsfähigkeit nicht mehr genau vorhersagen zu können. Dies lässt vermuten, dass die energetische Komplexität des Multi-Schichtabsorbers unter Betriebsbedingungen nicht vollständig mit den hier präsentierten Modellexperimenten beschrieben werden kann.