Laterale und vertikale Nanostrukturbildung an Siliciumelektroden durch kontrollierte selbstorganisierte Prozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Joachim Lewerenz (†)
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5443525

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt, dessen Laufzeit 10 Jahre überstreicht, hat zugleich eine Art Renaissance der Photoelektrochemie erlebt, induziert durch die massive Anschubfinanzierung des Joint Center for Artificial Photosynthesis in den USA im Jahr 2010 und die nachfolgenden Förderaktivitäten nationaler Institutionen wie beispielsweise die der DFG (siehe Schwerpunktsprogramm Wasserspaltung). Insofern unterlag dieses Projekt wegen der Intensivierung photoelektrochemischer Grundlagenforschung bis hin zur Anwendung in Prototypen den sich ändernden Randbedingungen und Fragestellungen während der Laufzeit. Dies ist sicherlich als Verstärkung und Unterstützung zu werten wie man an der Übertragung der Erkenntnisse von Oberlfächenphasenumwandlungen auf Verbindungshalbleiter für die Wasser Photolyse erkennt. Das Projekt war durch zwei „Überraschungen“ gekennzeichnet: so liess sich nicht absehen dass die Nanoporenbildung zur Realisierung effizienter Nanoemitter Solarzellen führte. Als Zweites ist das Auffinden fraktaler Strukturen zu werten, deren Morphologie sich durch photoelektrochemische Parameter gezielt und weitgehend beeinflussen liess. Eines der Hauptergebnisse war zudem die Übertragung der in-situ Oberflächenmodifizierung auf vertikale Nanostrukturbildung von In-haltigen Halbleitern, die die gezielte Oberflächenumwandlung einer photovoltaischen Tandemsolarzelle ermöglichte. Damit wurde eine neue Effizienz und Stabilität bei der Licht-induzierten Wasserspaltung etabliert, die im Sept./Okt. 2015 grosse Aufmerksamkeit in den Medien gefunden hat.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nascent, Metastable and Induced Nanostructures on Silicon. Comptes Rendus Chimie 9 (2006) 289-293
  H.J. Lewerenz, J. Jakubowicz and H. Jungblut
  
• Combined AFM and Brewster-Angle Analysis of Gradually Etched Ultrathin SiO2 - Comparison with SRPES Results. Surf. Sci. 601 (2007) 1693-1700
  M. Lublow and H.J. Lewerenz
  
• Efficient Photoelectrochemical Nanoemitter Solar Cell. Electrochem. Comm. 10 (2008) 1184-1186
  T. Stempel, M. Aggour, K. Skorupska, A. Munoz and H.J. Lewerenz
  
• Scaling Effects upon Fractal Etch Pattern Formation on Silicon Photoelectrodes. Electrochim. Acta 55 (2009) 340-349
  M. Lublow and H.J. Lewerenz
  
• Surface Chemistry and Electronics of Semiconductor-Nanosystem Junctions I: Metal- Nanoemitter Based Solar Cells. J. Sol. State Electrochem. 13 (2009) 185-194
  H. J. Lewerenz, K. Skorupska, M. Aggour, Th. Stempel-Pereira and J. Grzanna
  
• Photoelectrocatalysis: Principles, Nanoemitter Applications and Routes to Bio-inspired Systems. Energy & Environm. Sci. 3 (2010) 748-761
  H.J. Lewerenz, C. Heine, K. Skorupska, N. Szabo, T. Hannappel, T. Vo-Dinh, S.A. Campbell, H.W. Klemm and A.G. Munoz
  
• Silicon Surface Transformations: from Initial Phases of Pore Formation to Nanoscopic Metal-Insulator-Semiconductor Junctions. J. Electroanal. Chem. 646 (2010) 85-90
  H.J. Lewerenz, A.G. Munoz, K. Skorupska, T. Stempel, H.W. Klemm, M. Kanis and M.Lublow
  
• Tayloring of Interfaces for the Photoelectrochemical Conversion of Solar Energy Advances, in: Electrochemistry and Electrochemical Engineering, (eds. D.M. Kolb, R.C. Alkire, P.N. Ross, J. Lipkowski), (Wiley-VCH, (2010) 61-181
  H.J. Lewerenz
  
• Micro- and Nanotopographies for Photoelectrochemical Energy Conversion. I: The Photovoltaic Mode. Electrochim. Acta 56 (2011) 10713-10725
  H.J. Lewerenz
  
• Structure formation at the nanometric scale during current oscillations at the Si/electrolyte contact. Phys. Stat. Sol. C 8 (2011) 1734-1738
  J. Grzanna, T. Notz, T. Stempel, H. J. Lewerenz,
  
• Photons in Natural and Life Sciences; an Interdisciplinary Approach. Springer Series in Optical Sciences, Vol. 157 (2012)
  H.J. Lewerenz
  
• Initial Phase of Photoelectrochemical Conditioning of Silicon in Alkaline Media: Surface Chemistry and Topography. J. Phys. Chem. C 117 (2013) 1681-1691
  M. Lettilly, K. Skorupska, Z. Huang and H.-J. Lewerenz
  
• Photoelectrochemical Water Splitting: Materials, Processes and Architectures; The Royal Society of Chemistry, London, UK (2013)
  H.J. Lewerenz, L.M. Peter (eds.)
  
• The Initial Phase of Photoelectrochemical Anodization of Si in Alkaline Media Investigated by Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy (SRPES) and Scanning Probe Microscopy (SPM). Materials Research Society, Online Proceedings Library, Vol. 1539 (2013)
  M. Letilly, K. Skorupska, M. Aggour, M. Kanis and H.-J. Lewerenz
  
• Comparison between the measured and modeled hydrogenevolution activity of Ni- or Ptcoated silicon photocathodes. Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 16220-16226
  Z. Huang, J. R. McKone, C. Xiang, R.L. Grimm, E.L. Warren, J.M. Spurgeon, H.-J. Lewerenz, B.S. Brunschwig and N.S. Lewis
  
• Self Organization Phenomena in Photoelectrochemical Energy Conversion: Nanoemitter Solar Cells. Rev. Adv. Sci. Engin. 4 (2014) 1-11
  H.J. Lewerenz
  
• The Semiconductor-Liquid Junction: from Fundamentals to Solar Fuel Generating Structures, in: Encyclopedia of Applied Electrochemistry (eds. R.F. Savinell, K. Ota, G. Kreysa), Springer (2014) 1893-1924
  H.J. Lewerenz
  
• Efficient Direct Solar-to-Hydrogen Conversion by In-Situ Interface Transformation of a Tandem Structure. Nature Communications 6, article number 8286 (2015)
  M. May, H.J. Lewerenz, F. Dimroth, D. Lackner, T. Hannappel