Hybrid-Perowskit/Metalloxid-Heterostrukturen als bifunktionale Elektroden in Photobatterien: Synthese, Charakterisierung und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen (StoreLight)

• Antragstellerin: Dr. Helen Grüninger
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565381591

Photobatterien, die Solarenergie durch die Kopplung einer Solarzelle mit einer Batterie in einem einzelnen System umwandeln und speichern können, stellen eine vielversprechende Entwicklung für die zukünftige Energieversorgung dar. Photobatterien verwenden bifunktionale Elektroden, die Ladungsträger photogenerieren, Ionen chemisch speichern und beide transportieren können. Dieses Forschungsgebiet ist jedoch noch wenig bearbeitet und erfordert die Entwicklung neuer Materialien oder -komposite und ein Verständnis der verknüpften photophysikalischen und elektrochemischen Prozesse. Hauptziele dieses Projekts sind die Synthese und Charakterisierung bifunktionaler Elektroden basierend auf Heterostrukturen aus Hybrid-Perowskiten als photoaktivem Material mit Metalloxiden. Letztere fungieren als Elektronen- oder Loch-Extraktionsmaterial für den Perowskit und als Batterieelektrode, die reversibel Li+- oder Na+-Ionen speichert. Wir fokussieren uns auf TiO2 und V2O5 als Modelloxide, um Photoanoden und -kathoden als Heterostruktur mit Hybrid-Perowskiten zu gestalten. Wir werden die Grenzfläche des Heteroübergangs nanostrukturieren, um die Effizienz der Ladungsträgererzeugung und -trennung durch eine effiziente Bestrahlung und maximierten Ladungstransfer an der Grenzfläche zu erhöhen Die Nanostruktur mit maximierten Grenzflächen wird zudem die Batteriefunktion durch reduzierte Ionen-Diffusionslängen stützen, welche das (Ent-)Laden erleichtern. Eine Vielzahl dynamischer Prozesse, einschließlich elektronischen und ionischen Transports, ist für die Funktion der bifunktionalen Elektroden entscheidend. Daher liegt ein Schwerpunkt auf einer umfassenden Charakterisierung (inkl. in-situ/operando) der individuellen Kompositmaterialien sowie vollständiger Photobatterien. Zunächst werden wir elektronische Prozesse während der Lichtabsorption, des Ladungsträgertransports und der -trennung an der Grenzfläche zum Metalloxid untersuchen. Weiterhin werden wir ionische Prozesse aus (photo)elektrochemischen Eigenschaften und strukturellen Analysen evaluieren, mit einem Fokus auf dynamische, reversible Phasenumwandlungen und irreversible Nebenreaktionen. Außerdem werden Änderungen der Bandlückenenergien und Bandkantenpositionen, die mit (photo-)elektrochemischen Phasenumwandlungen verbunden sind, und deren Auswirkungen auf den Heteroübergang und den elektronischen Transport analysiert. Diese elektronischen und ionischen Prozesse werden durch den Einsatz von optischer Spektroskopie, Strom-Spannungs-Kennlinien, (photo)elektrochemischen Analysen, operando Festkörper-NMR-Spektroskopie und Röntgenbeugung untersucht. Die umfassende Charakterisierung physikochemischer und struktureller Eigenschaften wird zur Ableitung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen führen. Idealerweise können so Konzepte für effiziente und stabile Hybrid-Perowskit/Metalloxid-Heterostrukturen für Photobatterien entwickelt werden, die beide Funktionen, Energiegewinnung und -speicherung mit Nachhaltigkeit erfüllen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: LED 3.2mm MAS NMR Probe
• Gerätegruppe: 1741 Festkörper-NMR-Spektrometer