Oberflächen-Gate Ladungsträger-selektive Nanokontakte für die fotoelektrochemische Katalyse

• Antragsteller: Sebastian Zeki Oener, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408246589

Der Übergang von fossilen Brennstoffen zu einer nachhaltigen Energieinfrastruktur wird durch einen Mangel an auf erneuerbaren Energien basierenden Brennstoffen behindert. Brennstoffe mit einer hohen Energiedichte werden dringend für die langfristige Energiespeicherung (Monate bis hin zu Jahren) und für den Schwertransport mit hohen Weitreichen benötigt.Fotoelektrochemische Wasserspaltung ist ein direkter Weg, um Sonnenenergie in den chemischen Brennstoffen Wasserstoff und Sauerstoff zu speichern. 2017 hat ein interdisziplinäres Team aus den USA (Caltech) und Deutschland (TU Ilmenau, Fraunhofer ISE, Helmholtz Zentrum Berlin) ein auf Halbleitern basierendes System mit einer beeindruckenden Sonnenenergie-zu-Wasserstoff Effizienz von 19% realisiert, d. h. mit 85% von der theoretisch maximal erreichbaren Effizienz für die verwendeten Halbleiter.Dieses Ergebnis demonstriert deutlich die effiziente Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Brennstoffe. Eine Hürde für die praktische Anwendung bleibt jedoch bestehen: Langzeitstabilität. Um letztere zu erreichen, muss der Schutz des Halbleiters vor Korrosion und die Integrität von Katalysatoren über einen langen Zeitraum garantiert werden.Um Korrosion zu verhindern, wird für gewöhnlich ein thermodynamisch stabiler Oxidfilm verwendet. Dieser Film muss jedoch nicht nur chemischen Schutz, sondern auch elektrischen Strom zwischen Halbleiter und Katalysatoren auf der Oberfläche sicherstellen. Dies erzeugt einen grundlegenden Konflikt: Filme mit einer hohen Dicke oder geringen Leitfähigkeit können Korrosion verhindern, jedoch nicht elektrischen Strom ausreichend leiten.Während meiner Doktorarbeit habe ich an neuen Kontakten für Nanodrahtsolarzellen gearbeitet, die auf dem Oberflächen-Gate-Effekt basieren. Solche Kontakte benutzen einen Oberflächenfilm, welcher Elektronen in den Halbleiter einbringt oder von diesem abzieht, um dadurch einen naheliegenden Metallnanokontakt herzustellen, der selektiv für die Entnahme von lichtinduzierten Elektronen oder Löchern ist.Während des DFG Postdoktorandenstipendiums möchte ich diese speziellen Nanokonktakte für die Wasserspaltung untersuchen. Die Kontakte können mit einem sehr dicken (100 nm – 1 µm) und nichtleitenden Film umgeben werden und somit robusten langfristigen Korrosionsschutz bieten und gleichzeitig genügend Strom zu den Katalysatoren liefern, eine Kombination die unerreichbar scheint mit konventionellen Geometrien. Meine Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werde ich die grundlegenden Aspekte des Oberflächen-Gate-Effektes anhand von Modellsystemen untersuchen. Im zweiten Teil werde ich das grundlegende Wissen für die Entwicklung von langzeitstabilen Nanostrukturoberflächen anwenden.Das Vorhaben wird durch meine Expertise in der Nanofabrikation und zu Grenzflächen in der Nanofotovoltaik sowie der weltweit führenden Expertise zu Halbleiter-Katalysator-Grenzflächen des amerikanischen Gastgebers, Prof. Dr. Shannon Boettcher, ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Shannon W. Boettcher