27.06.2013 Effiziente Erzeugung solarer Brennstoffe: Photoelektrochemische Wasserspaltung, Tandem-Absorber-Strukturen, III-V-Heteroepitaxie und kritische Grenzflächen

Dr. Henning Döscher, NREL, Golden, Colorado, USA & Technical University Ilmenau

Date: Thursday, 04.07.2013, 15:00 h
Location: WZMW, Hans-Meerwein-Str. 6 (Lahnberge), seminar room 02D36

Abstract

Die Idee der direkten Konversion von Sonnenlicht in leicht speicher- und transportierbare chemische Energieträger mittels photoelektrochemischer Wasserspaltung wird mit stetig wachsendem Forschungsinteresse verfolgt. Beginnend mit der erstmaligen Demonstration des Konzepts vor über 40 Jahren [1] standen auf Grund der weitgehend unstrittigen Stabilität im Kontakt zum Elektrolyten häufig oxid-basierte Materialsysteme im Fokus des Interesses – trotz enger fundamentaler Begrenzungen der Konversionseffizienz. Unübertroffene Rekordwerte sind dagegen bald nach der Entwicklung der Mehrfachsolarzelle [2] mit InGaP/GaAs-Tandemstrukturen erzielt worden [3], die sich jedoch als anfällig für Photokorrosion erwiesen haben.

Wir schlagen den Einsatz neuartiger GaPN/Si-Tandemstrukturen zur photoelektrochemischen Wasserspaltung vor [4]. Die epitaktische Integration von III-V-Halbleitern auf Silizium-Substraten gilt seit Jahrzehnten als wissenschaftlich wie technologisch bedeutende Herausforderung [5]. Intensive Untersuchungen der kritischen III-V/Si-Grenzfläche am Modellsystem der heteroepitaktischen Abscheidung dünner Filme [6] haben inzwischen zu einem tieferen Verständnis grundlegender Defektmechanismen wie der Anti-Phasen-Unordnung geführt und neuartige Verfahren zur in situ-Kontrolle der Oberflächenpräparation der Si(100)-Substrate und der Nukleation des III-V-Wachstums ermöglicht. Die Beimengung verdünnter Stickstoffkonzentrationen erlaubt nicht nur eine exakte Anpassung der GaPN-Gitterkonstante zu Silizium, sondern verändert auch grundlegend die elektronische Struktur hin zu einer direkten Bandlücke mit deutlich herabgesetzter Energie – und erhöht gleichzeitig die Stabilität des Materials im Kontakt zum Elektrolyten.

[1] Fujishima and Honda, Nature 238 (1972) 37.
[2] K. Bertness et al., Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 989.
[3] Khaselev and Turner, Science 280 (1998) 425.
[4] Döscher et al., ChemPhysChem 13 (2012) 2899.
[5] Kroemer, J. Cryst. Growth 81 (1987) 193.
[6] Döscher et al., Surf. Scien. 605 (2011) L38.