Anorganische Doppelhelix-Verbindungen zur Energiekonvertierung

• Antragsteller: Professor Dr. Tom Nilges
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389011793

Halbleitende Verbindungen der Zusammensetzung SnXPn (mit X = Br, I und Pn = P, As) zeigen eine für anorganische Substanzen außergewöhnliche Strukturchemie. [SnX]+ und [Pn]- Helices bilden doppelhelicales SnIP und SnIAs, welche aufgrund ihrer mechanischen und elektronischen Eigenschaften als erfolgversprechende Verbindungen für Solarzellen und als Katalysatoren in der Photokatalyse identifiziert wurden. Quantenchemische Rechnungen deuten an, dass SnIP und SnIAs vergleichbare oder sogar vielversprechendere Eigenschaften für Solarzellanwendungen als die momentan intensiv beforschten (Ma)PbX3-Perowskite zeigen. Wir konnten durch Messungen nachweisen, dass die Ladungsträgermobilitäten für h+ senkrecht zu den Doppelhelices und für e- parallel zu den Helices in SnIP mit den MaPbI3-Werten vergleichbar sind. Bei SnIP@C3N4-Hybriden ist eine bis zu Steigerung der Wasserspaltungsaktivität um das 4-fache gegenüber den Reinsubstanzen nachgewiesen worden. In mesoporösem-TiO2 konnte sogar eine 6-fache Steigerung beobachtet werden. Basierend auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts werden wir die halbleitenden Doppelhelixverbindungen SnIP, SnBrP und SnIAs herstellen und mit 2D-Materialien wie h-BN, Phosphoren, MoQ2 (Q = S, Se), terminiertem Silicen und terminiertem Germanen zu SnXPn@2D Material-Hybriden umsetzen. Zur Hybridbildung werden die Doppelhelixverbindungen und 2D-Materialien entsprechend delaminiert, in nanopartikulare Form überführt und anschließen durch Selbstorganisationsprozesse zu Hybriden umgesetzt. Bei den SnXPn-Verbindungen ist die Entwicklung und Optimierung eines Dünnschichtabscheidungsprozesses vorgesehen, um die in extrem anisotroper Form kristallisierenden Verbindungen (Nadeln mit Tendenz der Selbstdelaminierung) als kompakte, dichte und festhaftende Schichten auf geeigneten Substraten für anschließende Anwendungen zu erhalten. Die oben genannten, in dünnen Schichten abgeschiedenen SnXPn-Doppelhelixverbindungen und ausgewählte Hybrid-Systeme sollen anschließend auf ihre Wasserspalteigenschaften untersucht und daraus Solarzellen hergestellt werden. Hierzu sind Kooperationen mit Experten in Kanada und der TUM vorgesehen. Ziel ist es, bei den Wasserspaltkatalysatoren die Heterojunction-Bildung zu verstehen, zu optimieren und damit effiziente, nicht-edelmetallhaltige Katalysatoren zu entwickeln. Beim Solarzellteilprojekt soll eine erste funktionierende SnXPn Solarzelle hergestellt und damit die quantenchemischen Vorhersagen bestätigt werden. Dies könnte das Forschungsfeld der anorganischen Solarzellmaterialien um eine interessante Materialklasse erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen