Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung von Eisen- und Titanoxiddünnschichten zur photoelektrochemischen Spaltung von Wasser

Mit Hilfe von Sonnenlicht erzeugter Wasserstoff hat das Potential in Zukunft zu einem wichtigen, nachhaltigen Energieträger zu werden. Eine Möglichkeit, Sonnenenergie in chemische Energie in Form von Wasserstoff umzuwandeln und so zu speichern, ist die photoelektrochemische Spaltung von Wasser mit Hilfe halbleitender Photoelektroden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung und Modifikation solcher Photoanodenmaterialien, mit optimalen optischen und elektrischen Eigenschaften. Als Synthesemethode aus der Gasphase wurde dazu das PE-CVD Verfahren gewählt. Im Mittelpunkt standen dabei die für diese Anwendung besonders interessanten Halbleiter Eisen- und Titanoxid. Dabei sollte zunächst der Einfluss der Syntheseparameter Plasmaleistung, Prozessdauer und Temperatur auf die Materialeigenschaften der abgeschiedenen Dünnschichten untersucht werden. Die Materialcharakterisierung erfolgte standardmäßig mit Hilfe von Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, Absorptionsspektroskopie und photoelektrochemischen Messungen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Messung der Photostromdichte, welche als Maß für die Eignung der jeweiligen Dünnschicht als Anodenmaterial herangezogen wurde.

Auf diese Weise ist es gelungen, nanostrukturierte eisen und titanoxidische Dünnschichten mit optimiertem Ladungsträger und Lichtmanagement herzustellen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden verschiedene Versuche um die optischen und elektronischen Eigenschaften weiter zu optimieren unternommen. Dies gelang zum einen durch Kationendotierung der Dünnschichten durch die parallele Verwendung zweier Vorstufen für die Synthese und zum anderen durch die gezielte partielle Reduktion der metalloxidischen Photoanoden im Wasserstoffplasma. Durch diesen Ansatz ist es gelungen, den Absorptionsquerschnitt der Dünnschichten erheblich zu vergrößern und so die photoelektrochemischen Eigenschaften signifikant zu verbessern.

Die höchste Photostromdichte von ca. 5 mAcm-2 konnte jedoch durch den Aufbau multifunktionaler mehrschichtiger Kompositphotoanoden erreicht werden. Dazu wurden plasmaabgeschiedene Eisenoxiddünnschichten mit Hilfe der ALD Technik mit sehr dünnen (ca. 10 nm) Titanoxidfilmen beschichtet. Dieser Aufbau erlaubt die Kombination von individuellen Materialeigenschaften der einzelnen Schichten in einer Photoelektrode, wodurch die, gemessen an auf Metalloxiden basierenden Elektroden, bis dato höchste Photostromdichte realisiert werden konnte.