Effiziente und stabile Grenzflächen für die photoelektrochemische Energieumwandlung

• Antragstellerin: Dr. Johanna Eichhorn
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428591260

Eine vielversprechende Strategie für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in speicherbare Brennstoffe ist die photoelektrochemische Energieumwandlung mittels Halbleiterphotoelektroden. Die größten Herausforderungen dieser Photosysteme sind der niedrige Wirkungsgrad und die Instabilität unter Betriebsbedingungen. Derzeitige Lösungsansätze konzentrieren sich auf die Beschichtung der Photoelektrodenoberfläche mit ultra-dünnen Passivierungs- und Schutzschichten. Die Entwicklung solcher Heterostrukturen ist eine nicht triviale Aufgabe, da nicht davon ausgegangen werden kann, dass hierbei die Photoaktivität der Halbleiter/Elektrolyt-Grenzfläche erhalten bleibt. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass solche nm-dünnen Schichten nie komplett fehlerfrei hergestellt werden können und dass selbst nanoskopische Fehlstellen zu komplettem Materialversagen führen können. Zur Realisierung von stabilen und effizienten Photoelektroden kombiniert das vorgeschlagene Projekt intrinsische Selbstpassivierung von Halbleiteroberflächen mit funktionalen Beschichtungen hergestellt mittels plasmaunterstützter Atomlagenabscheidung (PE-ALD). Die Selbstpassivierung der Photoelektrode bildet chemisch stabile Bereiche an Fehlstellen und stoppt so die Materialzersetzung, wodurch die Stabilität der Photoelektrode verbessert wird. In diesen Mehrschichtsystemen sollen die Grenzflächeneigenschaften einen effizienten Ladungstransfer ermöglich und die Photoaktivität des Halbleiters erhalten, während die Oberflächenbeschichtungen langlebige Photoelektrodenoberflächen mit verbesserter Reaktionskinetik für die Sauerstoffevolution schaffen sollen. In der ersten Förderperiode konzentrierte sich das Projekt auf halbleitende Ta3N5 Photoelektroden und katalytische aktive CoOx Beschichtungen. In der zweiten Förderperiode wird auch die Kombination von Ta3N5 mit neuartigen Nitridkatalysatorschichten (Co4N) erforscht, um die Limitierungen von kombinierten Oxid-Nitrid-Mehrschicht-System zu umgehen. Für beide Systeme werden Struktur, chemische Zusammensetzung und Defekteigenschaften an der Grenzfläche sowie deren Auswirkungen auf den Ladungstransfer und -transport systematisch charakterisiert, um effizienzlimitierende Prozesse zu identifizieren. Zum Verständnis der grundlegende Funktionsmechanismen wird der Nitridkatalysator auch unter realistischen Betriebsbedingungen analysiert. Zusätzlich wird die Effizienz der Selbstpassivierung quantifiziert, mit dem Ziel mögliche Degradierungsprozesse zu verstehen. Zu diesem Zweck wird der Einfluss von verschiedenen deterministisch hergestellten Defekten auf die Stabilität der Beschichtungen untersucht. Insgesamt, wird das gewonnene Verständnis die Entwicklung von neuartigen photoelektrochemischen Materialien mit verbesserter Effizienz und Stabilität begünstigen. Die vorgeschlagene Methodik bietet eine allgemeine, vom spezifischen Materialsystem unabhängige Strategie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen