Gitterdynamik und Ladungstransport in metastabilen ternären Nitriden zur Sonnenenergieumwandlung

• Antragstellerin: Dr. Franziska Simone Hegner
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452445233

Die fortschreitende Erderwärmung und ein weltweit wachsender Energieverbrauch machen es dringender denn je, erneuerbare und saubere Energiequellen zu erschließen. Der Sonne kommt hierbei größte Bedeutung zu, denn ihre Kraft ist ein Rohstoff, der überall auf der Erde zu finden ist. Bleibt die Herausforderung, diesen Rohstoff nutzbar zu machen.Das vorgeschlagene Projekt „Gitterdynamik und Ladungstransport in metastabilen Nitriden zur Umwandlung von Sonnenenergie“ begegnet dieser Herausforderung, indem es die Mechanismen der Gitterdynamik, des Ladungstransports und deren Zusammenspiel in metastabilen Nitriden sowohl mit theoretischen als auch mit experimentellen Methoden untersucht und damit den Weg für ein grundlegendes Verständnis der Materialklasse der metastabilen Nitride bereitet.Da metastabile Materialien bislang relativ unerforscht sind, wird dies zu ganz neuen physikalischen Erkenntnissen für die Grundlagenforschung führen sowie die Tür zu neuen, spannenden Anwendungen öffnen – besonders im Bereich der Solarenergietechnologien und der Photovoltaik.Das repräsentative Kupfer-Tantalnitrid CuTaN2 soll als erstes untersucht werden: Abgesehen von seiner äußerst effizienten Lichtabsorption ist es stabil bis zu einer Temperatur von 250°C. Dies ist wichtig, um für Anwendungen in Solarzellen in Frage zu kommen und auch um den experimentellen Teil des vorgeschlagenen Projekts durchzuführen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen über die Gitterdynamik und den Ladungstransport in CuTaN2 werden anschließend Beziehungen zwischen diesen grundlegenden Mechanismen und der Metastabilität des Materials abgeleitet.Diese Konzepte werden dann auf eine breitere Gruppe metastabiler Nitride übertragen, insbesondere auf solche, die wünschenswerte optoelektronische Eigenschaften aufweisen sowie, anders als CuTaN2, aus häufig vorkommenden Elementen bestehen. Besonders vielversprechend sind (Sn1-xTix)3N4 und CaxZn2-xN2, die kürzlich erstmals synthetisiert wurden. Mit der für CuTaN2 etablierten Methodik sollen ihre grundlegenden Eigenschaften untersucht werden, um Vergleiche zwischen den verschiedenen Nitridmaterialien anstellen und die Universalität der zugrunde liegenden Mechanismen bewerten zu können.Zusammengefasst sind die Forschungsziele des vorgeschlagenen Projekts: (i) die detaillierte theoretische und experimentelle Erfassung der strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften von CuTaN2, (ii) eine umfassende Studie der Gitterdynamik und der anharmonischen Effekte, (iii) die Untersuchung des Ladungsträgertransports und wie er durch die strukturelle Dynamik beeinflusst wird und (iv) das etablierte Wissen auf andere metastabile Nitridmaterialien anzuwenden und die Relevanz und Übertragbarkeit der Modelle zu bewerten.Dies wird den Weg ebnen für eine neue Generation umweltfreundlicher, reichlich vorhandener und kostengünstiger lichtabsorbierender Halbleitermaterialien und somit zu besseren und effizienteren Lösungen zur Sonnenenergieumwandlung führen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle