Projekte

Das gemeinsame Team der Yale University und der Technischen Universität Ilmenau erforscht den Einsatz von effizienten halbleitenden Photoabsorbern für die organische Synthese. Halbleiter sind bekannt dafür, Licht effizient in Ladungen umzuwandeln, und Photokatalysatoren steuern die Ladungstransferprozesse, um Redoxreaktionen zur Bildung stabiler Produkte anzutreiben. Die photokatalytische organische Synthese ähnelt der Photoredox-Katalyse für die Koevolution von reduktiven und oxidativen Reaktionen vor Ort, produziert aber während der Koevolution oberflächengebundene organische Moleküle. Allerdings ist die Beziehung zwischen der Energetik und Kinetik des Chargetransfers und der Oberflächenreaktivität weniger bekannt, was das Design von Synthesewegen unter Verwendung von Photokatalysatoren einschränkt. Um diese Lücke zu schließen, untersuchte das Team eine Modellreaktion von photokatalytischen para-Xylol-Oxidation zur Herstellung von Terephthalsäure, angetrieben durch TiO2-beschichtete planare Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid-Halbleiter. Theoretische Berechnungen werden mit der gemessenen Energetik und Produktselektivität korrespondieren und die Reaktionswege an der Oberfläche aufklären. Die gemeinsamen Forschungsschwerpunkte umfassen i.) die Korrelation zwischen der Oberflächenchemie und der Lochtransfer-Energetik, ii.) die Koevolution zur Erreichung der Produktselektivität und iii.) die Implementierung des Dampfphasenreaktors. Diese disziplinübergreifende Untersuchung sollte zukünftige Arbeitskräfte in den USA und in Deutschland einbeziehen. Die einfache Reaktorimplementierung füllt die Lücke der Öffentlichkeitsarbeit für die chemische Die einfache Reaktorimplementierung füllt die Lücke der öffentlichen Aufklärung über die chemische Produktion und bereichert auch die interdisziplinären Ausbildungspläne im Rahmen dieses neu initiierten internationalen Outreach-Projekts.

Das Verbundvorhaben „Entwicklung von zukünftigen Solarzelltechnologien und -Materialien für Raumfahrtanwendungen (SMART)“ adressiert die Schlüsseltechnologien für die Herstellung von Raumfahrtsolarzellen der nächsten Generation, mit denen die Anforderungen künftiger Satellitenplattformen bzgl. Leistungssteigerung, Kosteneffizienz und Anwendungsvielfalt bedient werden können. Im besonderen Fokus der geplanten Technologie- und Materialentwicklung stehen metamorphe Halbleitermaterialien für Mehrfachsolarzellen mit hoher Strahlungshärte sowie die Verfahren zur Realisierung von ultraleichten Solarzellen und Solarzellenassemblies. Das Projektkonsortium besteht  aus der AZUR SPACE Solar Power GmbH (Projektleitung), den akademischen Partnern TU Ilmenau und Philipps-Universität Marburg sowie dem Fraunhofer ISE.

TU Ilmenau

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung von Demonstratoren mit einer Fläche von 1300 cm^2 für die direkte solare Wasserstofferzeugung mit einem Wirkungsgrad > 15 %. Der Fokus des Teilprojekts der TU lmenau in H2Demo liegt auf der Verbesserung der III-V-auf-Si Heteroepitaxie und der Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden. Im Einzelnen sollen an der TU Ilmenau die Präparation und Nachweis von III-V-Nukleations- schichten auf Si(001) mit wesentlich reduzierter Defektdichte erfolgen und die Auswirkung unterschiedlicher Defekte, die an der Grenzfläche entstehen, auf die elektronischen Eigenschaften der Schichten untersucht werden. Die entwickelten Prozesse sollen ans Fraunhofer ISE transferiert werden. Beim Einfahren des Hochdurchsatzprozesses in der 2. Phase wirkt die TU Ilmenau durch Prozessentwicklung und -analyse unterstützend mit. In der Analytik stellt die TU Ilmenau Messtechnik im Bereich der Ladungsträgerlebensdauermessung bereit und entwickelt neuartige in situ und operando Messtechnik zur Analyse von Oberflächeneigenschaften und Ladungsträgerdynamik sowie Leistungsmerkmalen in der Umgebung der photoelektrochemischen Zelle.

TU Ilmenau

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.

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.

Heteroepitaktische III-V-Halbleiterschichtsysteme auf Siliziumsubstraten versprechen sowohl bei der Entwicklung hocheffizienter Mehrfach-Solarzellen als auch bei der Integration optoelektronischer Bauelemente in Silizium-basierte Schaltungen ein hohes Anwendungspotenzial. Ein Durchbruch bei der breiten Umsetzung solcher Technologien scheiterte bislang allerdings an einer zu hohen Konzentration von Gitterfehlern in den heteroepitaktischen III-V-Schichten. In diesem Projekt soll mit Hilfe verschiedener, komplementärer Mikroskopieverfahren die kristalline Qualität von GaP-Schichten, die mit der industrierelevanten metallorganischen Gasphasenepitaxie auf einkristallinen Siliziumsubstraten abgeschieden werden, durch Quantifizierung und Charakterisierung solcher Kristallfehler sowie durch Entwicklung von Vermeidungsstrategien wie Substratkonditionierung verbessert werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Anwendung der sehr oberflächenempfindlichen niederenergetischen Elektronenmikroskopie, mit der es durch unterschiedliche Kontrastmechanismen möglich ist, solche Fehler in großen Probenbereichen auf mikroskopischer Längenskala ohne weitere Vorbehandlung der Proben zu detektieren, sowie dynamische Prozesse mit hinreichender Geschwindigkeit abzubilden. Zudem sollen im Mikroskop nachgestellte Teilschritte der Substratkonditionierung und Schichtpräparation insbesondere hinsichtlich des anfänglichen Schichtwachstums untersucht werden.

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.