Spektroelektrochemisch überwachte Oberflächenpassivierung durch Siliziumdioxid für hocheffiziente direkte photoelektrochemische Wasserspaltung

01.07.2024

Eine schnelle und nachhaltige Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen ist elementar, um den menschengemachten Klimawandel zu verlangsamen bzw. zu stoppen. Eine Umstellung der Energieversorgung von kohlenstoffbasierten fossilen Energieträgern hin zu CO₂-freien Kraftstoffen ist daher unerlässlich. Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, könnte die Grundlage für diese Transformation darstellen.
In diesem Promotionsvorhaben wird ein direkter Ansatz zur Herstellung von grünem Wasserstoff untersucht, bei dem sich die modifizierten Solarzellen direkt in einem Elektrolytenbefinden. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht entstehen Ladungsträger, deren Energie an den Grenzflächen (Vorder- und Rückseite der Solarzelle) in Form von kovalenten H-H Bindungen und O-O Bindungen gespeichert werden.
Im Vergleich zur herkömmlichen Elektrolyse von Wasser besitzt dieser Ansatz Vorteile wie eine modulare Skalierbarkeit und geringe Anforderungen an Infrastruktur. Jedoch zeigen die Solarzellen aufgrund von Photokorrosion nur geringe Stabilitäten, was eine wirtschaftliche Nutzbarkeit bisher verhindert.
Ziel der Promotion ist es, eine ultradünne Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid auf der Photokathode der Solarzelle abzuscheiden, um somit die Widerstandsfähigkeit des Systems zu erhöhen. Dafür wird ein dünner Siliziumfilm elektrochemisch auf den Substraten abgeschieden und anschließend zu Siliziumdioxid oxidiert. Die Abscheidung und Oxidation soll in Echtzeit mittels Reflexionsanisotropie-Spektroskopie (RAS) überwacht werden. Nach Auftragen von geeigneten Wasserstoffentwicklungs-Katalysatorpartikeln sollen die Solarzellen in der Lage sein, Wasser effizient und ohne zusätzliche Spannungsquelle zu spalten, ohne dabei im signifikanten Ausmaß von Photokorrosion betroffen zu sein.