Development of optimum bandgap photoanodes for tandem water-splitting cells based on doped complex metal oxides and III-V semiconductors coupled to water oxidation electrocatalysts

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Radim Beránek; Professorin Dr. Anjana Devi; Dr. Rainer Eichberger
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279020913

Ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung von hocheffizienten Systemen für die solare Wasserspaltung ist die Verwendung von Tandemstrukturen bestehend aus Photokathoden und Photoanoden mit optimierten Bandlücken und photoelektrochemischen sowie oberflächenkatalytischen Eigenschaften (quasi-Fermi-Niveaus, Stromanpassung). Zum Beispiel könnten solche Tandemzellen unter dem Einsatz zweier Absorber mit angepassten Bandlücken von 1,1 eV und 1,8 eV Wasserstoffeffizienzen von etwa 25% erzielen. Während bereits hocheffiziente Photokathoden aus kristallinem Silizium (1,1 eV) für den niederenergetischen Bereich zur Verfügung stehen, bleibt die Entwicklung von stabilen und abgestimmten Photoanoden für eine funktionsfähige Gesamtzelle eine große Herausforderung: Bandlücke von 1.8 eV bei einem Photostrommaximum bereits bei niedrigem Potential von 0.4 V vs. RHE (Einsatz des Photostroms bei etwa 0.2 V). Materialien, welche diese Kriterien erfüllen existieren bisher nicht und müssen erst neu entwickelt werden.Dieses Gemeinschaftsprojekt zielt daher auf die Untersuchung von zwei neuartigen, aussichtsreichen Photoanoden als Lichtabsorber mit selektierten unterschiedlichen Merkmalen, welche auf rationaler sowie theoretischer (DFT) Grundlage ausgewählt wurden: i) dotierte Kupferwolframate und ii) Antimon-dotiertes Galliumnitrid. Ein hohes Maß an Kontrolle über die Zusammensetzung, Struktur, Morphologie sowie Kristallinität ist dabei von entscheidender Bedeutung für hohe Lichtausbeute und effiziente Ladungstrennung. Daher sollen Dünnschichten verschiedener Morphologie (poröse, kompakte und epitaktische Schichten, Nanosäulen) durch Sol-Gel und metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt werden. Um eine hinreichend schnelle Kinetik der Wasseroxidation zu gewährleisten, werden dünne Schichten hocheffizienter amorpher Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklung über Atomlagenabscheidung und inhärenter Niedertemperaturverfahren aufgebracht (elektrochemische, photoelektrochemische und photochemische metallorganische Abscheidung). Gleichzeitig soll so die Defektbildung via thermisch aktivierter Zwischenatomdiffusion verhindert werden. Mittels detaillierter und mechanistischer Untersuchungen sollen die kritischen Engpässe in der photoelektrochemischen Funktion der Photoanoden identifiziert werden. Zeitaufgelöste Terahertz Photoleitfähigkeitsmessungen sowie photoinduzierte transiente Absorption werden zur Untersuchung von Ladungstransport und Rekombinationsdynamik eingesetzt. Die Untersuchungen werden das rationale Design von Photoanoden voranbringen und das grundlegende Verständnis der Ladungsträgerdynamik verschiedener Materialklassen und -architekturen weit über den Rahmen dieses Projekts hinaustragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1613: Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte