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CO2-WIN-Verbundvorhaben: Direct Efficient Photoelectrocatalytic CO2 Reduction (DEPECOR )

Laufzeit: 01.02.2020 - 31.01.2023

Förderkennzeichen: 033RC021A

Projektinformation: DEPECOR

The aim of the DEPECOR project is to combine highly efficient multi-absorber structures in a systemic approach, with structures that have already been established in photovoltaics, where their critical interfaces and photovoltages will be adapted for CO2 reduction, with specific corrosion protection layers and efficient catalysts specifically selected according to their material and shape. For the non-assisted, direct, sunlight-induced CO2 reduction, the photoelectrochemical (PEC) cells must generate a photovoltage of approximately 3 V. This is possible with multiple absorber structures based on III-V semiconductors. These PEC cells consist of several stacked semiconductor structures (sub-cells) that absorb the light in different spectral ranges. Thus, an effective exploitation of the sunlight spectrum is achieved and the energy losses are significantly reduced compared to single absorber systems. The total voltage is composed of the sum of the voltages of each sub-cell and therefore sufficient to drive the chemical reactions directly.

The TU Ilmenau (TU-IL) group will develop and test integrated III-V semiconductor, photoelectrocatalytic half-cells. In order to increase the stability of the cells and enhance the performance, metal oxide protective layers will be deposited by atomic layer deposition (ALD) at the TU Munich (TUM) and the heterointerfaces will be examined in cooperation with TU-IL. Highly active catalysts will be developed at the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and integrated into the cell structure. The interaction of the photocathode with the electrolyte and the quantitative development of the reaction products will be measured at the TUM, HZB, TU-IL and at the Joint Center of Artificial Photosynthesis (USA). The project partner AZUR SPACE Solar Power GmbH (AZUR) will deliver suitable industrially scalable multi-absorber structures on germanium and III-V substrates, while the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) will develop the layer structures on silicon substrates. The associated partner École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) will investigate the activity of specific Cu catalysts and will support the modeling of the prototype of CO2 reduction systems for non-assisted fuel production. The project partner AZUR as well as the associated partners BASF and Evonik will advise the prototype development regarding the technology transfer in order to develop the planned commercial product.

Analyse des Ladungsträgertransports in radialen und axialen ladungstrennenden Kontakten aus III/V Halbleiter-Nanodrähten (Nanodrähte)

Laufzeit: 01.01.2020 - 31.12.2022

Förderkennzeichen: HA 3096/16-1

Projektinformation: Nanodrähte

Dieses Projekt befasst sich mit der Identifikation und Lokalisierung der Ursachen für die Begrenzung der optoelektronischen Leistungsdaten von Halbleiter-Nanodrahtstrukturen. Hierbei soll eine intensive Korrelation von makroskopischen Bauelementdaten mit räumlich sehr hoch aufgelösten Mikroskopiedaten erreicht werden. Die Bauelemente besitzen axiale und koaxiale Nanodraht-Homo- und -Heterokontakte zur Ladungstrennung, bestehend aus GaAs- und InGaP-basierten pn-Kontakten, die mittels MOVPE hergestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Grenzflächenformationen und Rekombinationspfaden soll durch eine Kombination von in-system Vier-Spitzen-Messungen, Rastersonden-Mikroskopie und optischen Methoden ermittelt werden. Dabei erfolgt eine lokale Erfassung der Strom-Spannungskennlinien an aufrecht stehenden axialen versus radialen Nanodrahtstrukturen sowie auch hochauflösende Rastertunnelmikroskopie. Die Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften erfolgt mit einem Streak-Kamera-System. Die messtechnische Erfassung und Lokalisierung stößt in Nanobauelementen inhärent auf Limitierungen, die daher mit Hilfe des Simulations-Softwarepakets Silvaco Atlas für eine physikalische Modellierung bearbeitet werden. Die Leistungsdaten bei der Ermittlung von Konversionseffizienzen werden unter Berücksichtigung der Generations- und Rekombinationsmechanismen sowie des Minoritäten- und Tunnel-Transportes über die Homo- und Hetero-Übergänge ermittelt.

Das Projektziel ist die Erfassung des qualitativen und quantitativen Zusammenhangs zwischen Nanodrahtwachstum, Bauelementdesign, Grenzflächenformation und Oberflächenpassivierung im Hinblick auf die Qualität von ladungstrennenden pn-Übergängen im Nanodraht. Hieraus sollen Konzepte vorgestellt und erprobt werden, die eine deutliche Steigerung der optoelektronischen Leistungsmerkmale bei der  Licht-Nanodraht-Wechselwirkung ermöglichen.

Energetische Anpassung innerer Kontakte und maßgeschneiderter Grenzflächen in Photoelektrochemischen Multi-Absorber Solarzellen (PhoMAS)

Laufzeit: 01.12.2019 - 30.11.2022

Förderkennzeichen: HA 3096/14-1

Projektinformation: PhoMAS

This project seeks to elucidate the electronic structure and energetic band alignment at the hetero-interfaces of photoelectrochemical multi-junction devices. Comprehension of the band energy diagrams of photoelectrochemical devices in the vicinity of the electrolyte with respect to their relative energetic position as well as the formation of electronic surface states will help to un-derstand efficiency-limiting factors of the overall device. The coupling of absorbers to chemical and electronic passivation layers as well as co-catalysts will be systematically studied, primarily by electrochemical methods coupled in-vacuo to photoelectron spectroscopy. Density functional theory will allow an in-depth interpretation of experimental data, finally providing an atomistic view on the origin of energetic alignments. As the elementary processes of light absorption, charge-separation and -transfer, as well as multi-electron catalysis are highly interrelated, we will focus on two established water splitting multi-junction devices that have already demonstrated high effi-ciencies, but still have not reached the physical limits: silicon-based multi-junction as well as III-V compound semiconductor-based tandem cells. The hereby identified routes to modify the elec-tronic coupling of the hetero-interfaces will, in close cooperation with the other partners, also be studied and evaluated under operating conditions. For the long-term perspective of the Research Consortium, this project will provide generalised research approaches that can be transferred to other high-efficiency multi-junction systems.

Dynamik von Elektronen in Oberflächen-modifizierten Photokathoden (DEOP)

Laufzeit: 01.10.2019 - 30.09.2022

Förderkennzeichen: HA 3096/15-1

Projektinformation: DEOP

This project aims to understand the fundamental processes that govern electron dynamics and energetics of prototypical photoelectrode surfaces, the associated internal interfaces at semiconductor surfaces and related model systems in view of photoelectrochemical hydrogen generation. The detailed mechanisms of interfacial electron transfer processes and their dynamics are still insufficiently understood. We propose to specifically modify the surface electronic and chemical properties of III-V compound semiconductor absorber systems to promote multi-electron processes. Time-resolved two-photon photoemission (tr-2PPE) for explicitly surface-sensitive analysis will be combined with density-functional theory (DFT)-based numerical simulations in order to gain a fundamental understanding of key electron transfer and recombination processes. Tr-2PPE is a unique technique that directly probes the kinetic energy and dynamics of photoemitted electrons accessing at the same time the electronic structure and temporal occupation of surface-near states. III-V compound semiconductors serve as relevant model systems to investigate interfacial dynamics with respect to selected surface modification procedures. Ways to modify III-V surfaces include epitaxial growth of thin films, in-situ surface transformation and catalyst deposition. These methods can produce quasi-two dimensional overlayers to slow down corrosion and enhance photocatalytic activity. The modification with such surface layers will enable tuning of the electron transfer dynamics by selective electronic structure modifications. Studying different types of surface modification will allow us to draw a general picture how interface design benefits electron transport towards the catalytically active surface. In the long-term perspective of the Research Consortium, this project will provide optimum charge separation and transfer for multi-electron catalytic processes in the envisaged new multi-junction absorber systems.

Ausbildung heterorelevanter Grenzflächen: Eine kombinierte Photoemissions und ab initio DFT-Studie von GaP/Si Heterostrukturen (ForInt)

Laufzeit: 01.08.2018 - 31.07.2021

Förderkennzeichen: HA 3096/10-1

Projektinformation: ForInt

Integration of III-V semiconductors on Si is desirable for new generation of microelectronic power devices, high-efficiency multi-junction solar cells and photolytic tandem absorbers for the renewable generation of hydrogen. GaP/Si(001) is the ideal candidate for generic, pseudomorphic virtual substrates aiming to overcome complex issues related to polar-onnonpolar heteroepitaxy prior further III-V integration. Preparation of sharp GaP/Si(001) interfaces thereby is the critical technological step in metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) because it strongly impacts the quality of subsequently grown epitaxial films and the final device performance. Preliminary work showed that Arsenic is of particular interest here.

Today, interface formation mechanisms are not well understood at the atomic scale and the electronic structure of buried interfaces is not resolved. In this bilateral project, we will combine optical in situ spectroscopy, lab-based as well as synchrotron-based photoelectron spectroscopy techniques, depth profiling and ab initio density functional theory (DFT) calculations in order to establish a comprehensive atomic-scale understanding of the structural and electronic properties of GaP/Si(001) and GaP/Si(001):As heterointerfaces. We will introduce dedicated modifications of the atomic structure in order to understand how the electronic properties of the heterointerface can be tuned. The objective is to gain a fundamental understanding of III-V/IV heterointerface formation with direct implications for high-efficiency device applications.

QuadrUMM - Bilaterales Industrieprojekt 

Laufzeit: 01.08.2018 - 31.12.2019

Projektinformation: QuadrUMM

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen.

Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf den Ladungs-trägertransport in axialien GaAs-Nanodrahtstrukturen (OLAN)

Laufzeit: 01.07.2018 - 30.06.2019

Förderkennzeichen: HA 3096/12-1

Projektinformation: OLAN

Der im Fachgebiet vorhandene, kontaminationsfreie Transfer von MOCVD-präparierten Proben zu einem UHV-basierten Multi-Probe-STM gibt die Möglichkeit, individuelle Nanodrähte in vacuo („as-grown“) elektrisch zu charakterisieren. Dabei wird die Oberfläche der Drähte entweder rekonstruiert, Wasserstoff-terminiert  oder oxidiert sein. Diese Varianten sollten zu unterschiedlichen Oberflächenzustandsdichten führen, wodurch deren Rolle und Charakteristik erstmalig besser aufgedeckt werden kann. Um den Ladungsträgertransport über die Oberfläche zu ermöglichen, werden zunächst vollständig und partiell intrinsische GaAs-Nanodrähte hergestellt. Im ersten von zwei Arbeitspaketen sollen daher der Ladungsträgertransport in Nanodrahtstrukturen in Abhängigkeit der Oberflächenzustandsdichte (UHV-transferiert vs. oxidiert) dargestellt und genauer untersucht werden. Hierbei sind Experimente geplant, bei denen die Drähte mittels UHV-Transfer unter Ausschluss von Kontaminationen ausführlich elektrisch charakterisiert werden. Eine Modellierung soll zu einer Identifikation von relevanten physikalischen Parametern führen, welche dazu dienen, die Messergebnisse zunächst qualitativ und anschließend auch quantitativ nachzubilden. Für die Ladungsträgertrennung standardmäßig genutzte p-n-Übergänge sollen im zweiten Arbeitspunkt genauer untersucht werden. In axialer Ausrichtung wurden diese Kontakte in GaAs-Nanodrähten schon untersucht, jedoch ohne Oberflächenkontaminationen oder  -modifikationen zu berücksichtigen. In diesem Projekt sollen Nanodrähte mit axialem p-n-Übergang charakterisiert werden. Zur Verifizierung und Anwendung des zuvor untersuchten Mechanismus' wird zudem die Wechselwirkung der Nanodrähte mit Licht untersucht.

Forschungsgroßgerät "Streak-Kamera-System"

Laufzeit: 01.06.2017 - 31.05.2018

Förderkennzeichen: INST273/71-1 FUGG

Projektinformation: Streak-Kamera-System

Im Fachgebiet Photovoltaik wird derzeit ein Großgerät in Betrieb genommen, mit dem Photolumineszenzmessungen an Halbleiterproben für die solare Energiekonversion ermöglicht werden. Photolumineszenz ist ein Prozess, bei dem nach Beleuchtung eines Halbleiters dieser wiederum Licht aussendet, das für seine optoelektronischen Eigenschaften charakteristisch ist. Die Effizienz dieses Prozesses ist direkt mit der Eignung des Materials für die solare Energiekonversion verknüpft. Bei dem neuen Messplatz handelt es sich um ein sogenanntes Streak-Kamera-System, dessen Hauptkomponenten ein Femtosekunden-Laser und eine Streak-Kamera sind. Es wird damit möglich, den zeitlichen Verlauf der Photolumineszenz mit hoher zeitlicher Auflösung, sowie auch spektraler Auflösung zu verfolgen. Der Messplatz stellt eine substanzielle Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten im Fachgebiet Photovoltaik dar und wird entscheidend zur Entwicklung von Halbleiter-Bauelementen der nächsten Generation beitragen. Das Großgerät wurde durch Mittel der EU und der DFG gefördert.

Forschergruppe Bifacial - Monofacial Steigerung der Energieausbeute von Silizium-PV-Modulen (FGR Bi-PV)

Laufzeit: 01.04.2016 - 31.12.2018

Förderkennzeichen: 2015 FG 0078

Projektinformation: FGR BiPV

Ziel dieser Forschergruppe ist es, Standards und theoretische Modelle für die Bewertung und Charakterisierung von bifacialen Photovoltaikzellen und -modulen zu entwickeln. Bifaciale Solarmodule stellen eine weitere Variante in der Photovoltaikindustrie dar. Entsprechende Produkte von Thüringer Unternehmen stehen kurz vor der Markteinführung.

Das Forschungsprojekt ist in der RIS3-Strategie für Thüringen in das Spezialisierungsfeld „Nachhaltige Energie und Ressourcenverwendung" einzuordnen. Die Erarbeitung von Methoden für ein realitätsnahes Energierating mit Bezug auf die Modullebensdauer ermöglicht es zum einen Optimierungspotenzial in die Entwicklung, das Design und den Herstellungsprozess von bifacialen Solarmodulen einfließen zu lassen. Zum anderen ermöglichen die entwickelten Verfahren eine optimierte Anlagenauslegung und einen effizienten Betrieb von PV-Anlagen.

Entwicklung von Materialienkombinationen und Prozessen für höchsteffiziente Raumfahrtsolarzellen (MatProZell)

Laufzeit: 01.02.2016 - 31.01.2019

Projektinformation: MatProZell

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen. 

Hocheffiziente III-V Mehrfachsolarzellen auf Silizium mit Wirkungsgraden >30% (MehrSi)

Laufzeit: 01.09.2015 - 28.02.2019

Förderkennzeichen: 03SF0525B

Projektinformation: MehrSi

III-V Mehrfachsolarzellen erreichen bei weitem die höchsten Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in elektrischen Strom von bis zu 38 %. Der Einsatz der III-V Halbleiter in photovoltaischen Flachmodulen schien bisher aufgrund hoher Herstellungs- und Substratkosten als höchst komplex und daher schwierig.

Die Verbundpartner am Fraunhofer ISE, der TU Ilmenau und der Universität Marburg konnten aber kürzlich zeigen, dass sich III-V Verbindungen mit hoher Qualität auch direkt auf Silicium abscheiden lassen. Nur wenige über 30 % auf Si zu realisieren. Die Kombination etablierter Silicium Solartechnologie mit den Vorteilen der III-V Halbleiter, eröffnet neue Optionen für höchsteffiziente Solarzellen und steht im Mittelpunkt des Projekts MehrSi. Durch eine Reduktion von Defektdichten und durch optimierte Solarzellenstrukturen sollen erstmals direkt auf Si gewachsene GaInP/GaAs(P) Mehrfachsolarzellen mit > 30 % Effizienz demonstriert werden.


Vorausentwicklung von InGaNAs und IMM-basierten Solarzellenkonzepten (IGNAz)

Laufzeit: 01.09.2013 - 28.02.2017

Projektinformation: IGNAz

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen.

Solarzellkonzepte für Raumfahrtgeneratoren der nächsten Generation (SoNG)

Laufzeit: 01.09.2013 - 28.02.2015

Projektinformation: SoNG

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen. 

Steigerung von Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad mittels Optimierung kritischer Grenzflächen in Silizium-Solarzellen (FGR OptiSolar)

Laufzeit: 01.03.2013 - 31.12.2014

Förderkennzeichen: 2012 FGR 0231

Projektinformation: OptiSolar

Im Projekt OptiSolar streben die Forscher an, den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen mit a-Si-Heteroemittern zu erhöhen, die Eigenschaften von a-SiNx-Antireflexschichten und der Grenzfläche zum c-Si sowie Grenzflächenprobleme zwischen Glassubstrat und Zwischenschichten bei laserkristallisierten Silizium zu optimieren. Am Ende ihrer Forschungen könnten sowohl die potenziellen Degradationsmechanismen verstanden und vermieden als auch die Effizienz verbessert und damit die Kosten gesenkt werden.


Nanoskalige III-V / Silizium Heterostrukturen für hocheffiziente Solarzellen (NANO-III-V-PINs)

Laufzeit: 01.12.2010 - 30.09.2014

Förderkennzeichen: 03SF0404A

Projektinformation: NANO-III-V-PINs

Im Verbundprojekt ‘Nanoskalige III-V / Silizium Heterostrukturen für hocheffiziente Solarzellen’ sollten zukunftsweisende Lösungen für Solarzellen erforscht werden, die Leistungsmerkmale konventioneller Einfachsolarzellen, welche dem Shockley-Queisser-Limit mit nur einem Absorbermaterial unterliegen, übertreffen.

Das Projekt zielt darauf ab, mithilfe einer Anlage zur metall-organischen Gasphasenabscheidung (MOVPE-Anlage) und spezieller Grenzflächenanalytik und Charakterisierung planare und vertikale, nanoskalige Strukturen aus III-V-Halbleiterverbindungen auf geeignet präparierte Siliziumsubstrate abzuscheiden.

Das Projekt gliedert sich in die folgenden Teilbereiche:

1. Präparation von Si-Substraten für Nanostrukturwachstum
2. Herstellung von planaren Quantentopfstrukturen auf Si-Substraten
3. Prozessierung und Charakterisierung von nanostrukturierten Solarzellkomponenten (mit Unterauftragnehmer CiS)
4. Grenzflächencharakterisierung von GaP/Si(111)
5. Vermessung von Nanostrukturen mit einem 4-Spitzen-Rastertunnelmikroskop