Abscheidung und Untersuchung von InGaN-Nanodrähten auf Si-Substraten für die solare Wasserstofferzeugung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Folgende Ergebnisse zur Untersuchung der Verwendung von InGaN in photoelektrochemische Zellen wurden erzielt. Zunächst wurde das epitaktische Abscheiden planarer InGaN-Schichten analysiert. Dabei wurde die Oberflächentemperatur als wichtigster Wachstumsparameter identifiziert und ihr Einfluss näher charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Indiumeinbau aufgrund von Verspannungen limitiert ist und erst eine Relaxation des Kristallgitters höhere Indiumgehalte ermöglicht. Bei tiefen Wachstumstemperaturen wurde eine Änderung des Wachstumsmodus von 2-dimensional zu 3-dimensional als Hauptrelaxationsmechanismus beobachtet. Durch die Charakterisierung der Wachstumsbedingungen war eine anschließende Herstellung von InGaN-Photoanoden mit definiertem Indium-Gehalt möglich. In Bezug auf die elektrochemischen Eigenschaften von planaren InGaN-Photoanoden konnte gezeigt werden, dass ein Kompromiss gefunden werden muss zwischen InGaN mit hohen Indiumgehalten, welches ein breites Absorptionsspektrum für Sonnenlicht besitzt, und InGaN mit niedrigen Indiumgehalten, welches eine höhere Bandlücke hat und damit zu einer Erhöhung der Reaktionsrate der Wasserstoffspaltung führt. In einer weiteren Versuchsreihe wurde gezeigt, dass der maximale Photostrom für InGaN-Photoanoden mit einem Silan-Dotierstofffluss von 3,7 nmol/min erzielt werden konnte. Dieser Fluss bewirkt also das Optimum zwischen einer weiten Raumladungszone und einer guten Leitfähigkeit im InGaN. Weiterhin konnte belegt werden, dass die Verwendung einer Säure oder Base als Elektrolyt notwendig ist, um eine genügend hohe Leitfähigkeit in der Zelle realisieren zu können. Ein ausreichend hoher Photostrom wurde für die 1 mol/l Elektrolyte HCl, NaOH, KOH und HBr gemessen. Bei letzterem findet jedoch nicht die Oxidationsreaktion von Wasser zu Sauerstoff, sondern die von Br - zu Br 2 statt, sodass HBr als Elektrolyt in der solaren Wasserstofferzeugung nicht in Frage kommt. In den Laugen NaOH und KOH dagegen fand eine starke Photokorosion statt, sodass lediglich HCl als Elektrolyt für weitere Experimente in Frage kam. In HCl wurde eine leichte Ätzung der Oberfläche ab einer Spannung von 0,7 V beobachtet, welche genutzt werden kann, um oberflächennahe Rekombinationszentren zu entfernen und so die Effizienz zu steigern. In Zukunft müssen jedoch Möglichkeiten gefunden werden, um die Photoanoden anschließend vor weiterer Korrosion schützen zu können. Zuletzt wurde für planare InGaN-Photoanoden das Konzept eines Rückseitenkontakts diskutiert. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Photostromdichte mit einem solchen Kontakt erhöht werden kann. Allerdings bedarf es noch weitere Optimierungen an der benötigten n-GaN-Puffer-Struktur, für die bereits Vorversuche durchgeführt wurden. In den ersten Versuchen an GaN-Nanodrähten zeigte sich, dass das selbstorganisierte Wachsen von homogenen, einkristallinen GaN-Nanodrähten auf Silizium trotz zahlreicher Optimierungsversuche nicht erreicht werden konnte. Daher wurde im weiteren Verlauf ein Verfahren zur selektiven Epitaxie entwickelt. In diesem wurde eine SiN-Maske genutzt, um GaN lediglich an definierten Stellen auf einem Silizium-Wafer abscheiden zu können. Durch die Optimierung der Prozessparameter konnten Nanodrähte mit einer sehr guten Selektivität und guter Kristallqualität erzielt werden. Aufgrund eines Laborwechsels der Anlage konnten die Versuche zur Abscheidung von InGaN auf diesen Strukturen jedoch noch nicht durchgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Highly n-type doped InGaN films for efficient direct solar hydrogen generation”, Phys. Status Solidi C 9, No. 3–4, 964–967 (2012)
C. Mauder, Ö. Tuna, B. Gutrath, V. Balmes, H. Behmenburg, M. V. Rzheutskii, E. V. Lutsenko, G.P. Yablonskii, M. Noyong, U. Simon, M. Heuken, H. Kalisch, and A. Vescan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201100400) - Investigations of the electrochemical stability of InGaN photoanodes in different electrolytes”, Phys. Status Solidi B, 1–5 (2014)
M. Finken, A. Wille, B. Reuters, M. Heuken, H. Kalisch, and A. Vescan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.201451576) - „Growth properties and electrochemical characaterization of InGaN photoanodes with different In concentrations”, Phys. Status Solidi C 11, No. 3–4, 746–749 (2014)
M. Finken, A. Wille, B. Reuters, B. Holländer, M. Heuken, H. Kalisch, and A. Vescan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201300414) - “The controlled growth of GaN microrods on Si(111) substrates by MOCVD”, Journal of Crystal Growth 414(2015)200–204
B. Foltynski, N. Garro, M. Vallo, M. Finken, C. Giesen, H. Kalisch, A. Vescan, A. Cantarero, and M. Heuken
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.10.047)
