dc.contributor.author
Neumann, Bernhard
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:42:29Z
dc.date.available
2008-03-20T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10865
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15063
dc.description
Titelblatt, Inhalts- und Abbildungsverzeichnis, Kurzzusammenfassung
1\. Einleitung
17
2\. Solare Brennstofferzeugung in Natur und Technik
19
2.1 Energiebedarf und Energiebereitstellung 19
2.2 Brennstoffe als Energiespeicher 20
2.3 Solare Brennstofferzeugung 26
2.4 Das Konzept der TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,097O1,84-Membran dieser Arbeit
38
3\. Grundlagen zur physikalischen Chemie von Halbleitern
41
3.1 Struktur- und Eigenschaftsbedingungen in Halbleiterkristallen 41
3.2 Ladungsträgertransport in Festkörpern 48
3.3 Ladungstransfer durch äußere Grenzflächen 52
3.4 Photochemische Prozesse an heterogenen Grenzflächen 64
3.5 Die Halbleiter TiO2 und Cu(In,Ga)Se2 72
4\. Experimentelle Methoden
81
4.1 Verfahren zur Herstellung der Photoelektroden 81
4.2 Methoden der Strukturaufklärung 83
4.3 Methoden zur Untersuchung optischer und elektronischer Eigenschaften 88
4.4 Qualitative und quantitative Analyse photochemischer Reaktionen 99
5\. Untersuchung potentiell für die photoelektrochemische Membran geeigneter
Photokatalysatoren
110
5.1 Titandioxid - modifiziert in Kristallstruktur und Morphologie 111
5.2 Titandioxid - dotiert mit Kat- und Anionen 137
5.3 Mesoporöse Wolframoxid-Photoelektroden 168
5.4 Untersuchung von Bismuth-Vanadium-V-oxid-Photoelektroden 173
5.5 Graphitisierte Mn-Porphyrin-Elektroden 182
5.6 Zusammenfassung Kapitel 5 191
6\. Untersuchungen zum Korrosionsschutz von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen
195
6.1 Aufbau und Herstellung der Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen 195
6.2 Modifizierung der ZnO-Frontelektrode mit TiO2-Deckschichten 196
6.3 Herstellung ZnO-freier Frontelektroden für Chalkopyritsolarzellen 204
6.4 Zusammenfassung Kapitel 6 224
7\. Wasserstoffentwicklung mit der
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,97O1,84-Membran
226
7.1 Vortests und technische Zusammenführung von Photoelektrode und Solarzelle
226
7.2 Die TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,97O1,84-Membranen im Experiment 231
7.3 Zusammenfassung Kapitel 7 252
8\. Zusammenfassung und Ausblick
255
9\. Anhang und Literaturverzeichnis
259
A Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 259
B Anhang 263
Literaturverzeichnis 266
Veröffentlichungen 277
Lebenslauf 278
Danksagung 280
dc.description.abstract
Diese Arbeit stellt die Entwicklung einer neuartigen photoelektrochemischen
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,097O1,84-Membran für eine photogestützte
Entwicklung von Wasserstoff aus wässrigen Elektrolyten vor. Die aus der
Kombination einer TiO2-Dünnschicht-Photoelektrode und einer, auf einem
flexiblen Titanblech abgeschiedenen und für ihren Einsatz entsprechend
modifizierten, Cu(In,Ga)Se2-Solarzelle hergestellten
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,97O1,84\- Membranen produzierten nach einer
Bestrahlung mit UV-Vis-Licht sowohl in saurer, als auch in alkalischer
wässriger Lösung Wasserstoff. In Abhängigkeit des eingesetzten
Elektronendonators und des gewählten pH-Wertes wurden
Wasserstoffentwicklungsraten von 4,3 bis 11,2 µmol*h-1*cm-2 verzeichnet. Die
Membranen sind damit in der Lage, Energie in Form von Licht für
photoelektrochemische Redoxreaktionen zu nutzen, wobei u.a. Protonen zum
speicherbaren chemischen Energieträger Wasserstoff reduziert werden können.
Aufgrund der Kombination von zwei miteinander interagierenden, photoaktiven
Halbleitern entspricht der Aufbau der Membran konzeptionell dem Z-Schema der
pflanzlichen Photosynthese.
Verschiedene Photokatalysatoren, wie z.B. makro- und nanostrukturiertes
Titandioxid (TiO2), Wolframtrioxid (WO3) und Bismuth-Vanadiumoxid (BiVO4),
wurden hergestellt und hinsichtlich ihrer potentiellen Eignung als
Dünnschicht-Photoelektrode in der photoelektrochemischen Membran
elektrochemisch charakterisiert. Zum Schutz der verwendeten
Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen vor einer Korrosion im wässrigen Elektrolyten zeigten
die beiden Strategien, einer Einführung von künstlich hydrophobisierten
TiO2-Deckschichten und einer Substitution der in Standard
Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen vorhandene, besonders korrosionsempfindliche
Zinkoxid-Frontelektrode (iZnO/Al:ZnO) gegen eine ebenfalls transparente,
leitfähige und bei Temperaturen kleiner 200°C reaktiv sputterbare
Nb0,03Ti0,97O1,84-Schicht, die besten Ergebnisse. Die im Rahmen dieser Arbeit
vorgestellte photoelektrochemische
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0,03Ti0,097O1,84-Membran bietet aufgrund ihres Baukasten-
Prinzips ein großes Potential für eine kontinuierliche Weiterentwicklung und
für eine zukünftige Kostenreduktionen in der solaren Wasserstofferzeugung.
de
dc.description.abstract
This work presents experimental results on a new photoelectrochemical
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0.03Ti0.097O1.84-solarcell-membrane that can be used for
light driven hydrogen formation from aqueous solutions, where the reduction
process is accompanied by the oxidation of inexpensive electron donors like
organic residues in waste water or water itself. In contrast to basic
photoelectrochemical cell concepts, the new membrane is based on a two photon-
absorption process, approaching the bio-analogue model of the Z-scheme in
plant photosynthesis. Furthermore, this membrane is designed to operate
completely immersed in the electrolyte. Structurally, a Cu(In,Ga)Se2 solar
cell is fitted inbetween a titanium dioxide layer, that is used for the photo
oxidation reactions and a visible light transparent Nb0.03Ti0.097O1.84 counter
contact layer, where the reduction of protons takes place.
The prepared TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0.03Ti0.097O1.84-membranes were able to
produce solar hydrogen in acidic and alkaline solutions with an hydrogen
evolution rate up to 11.2 µmol*h-1*cm-2. In comparison to simple colloidal
photoelectrochemical systems a significant improvement in hydrogen formation
was observed. Several photocatalysts, like titanium dioxide (TiO2), tungsten
trioxide (WO3) and bismuth-vanadium oxide (BiVO4) were prepared and
investigated electrochemically according to their photoactivity and current-
voltage-characteristics as thin film photoelectrodes. Different efforts were
undertaken to protect the Cu(In,Ga)Se2-solar cell from corrosion in aqueous
solution. The best results were observed with artificially hydrophobizied
TiO2-toplayers and by a replacement of the most corrosive part of a standard
Cu(In,Ga)Se2-solar cell, the zinc oxide front contact (i-ZnO/Al:ZnO), against
a reactively sputtered Nb0.03Ti0.097O1.84-film, that was transparent and
conductive, too. The new photoelectrochemical
TiO2/Cu(In,Ga)Se2/Nb0.03Ti0.097O1.84-membrane presented in this thesis has a
large potential for further development and for future cost reduction in the
solar hydrogen production.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Photocatalysis
dc.subject
solar hydrogen
dc.subject
Ga)Se<Sub>2</Sub> thin film solar cells
dc.subject
photoelectrochemical membrane
dc.subject
titanium dioxide
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Entwicklung und Untersuchung einer photoelektrochemischen Membran für eine
direkte Wasserstoffgewinnung aus wässrigen Elektrolyten
dc.contributor.firstReferee
Prof. H. Tributsch
dc.contributor.furtherReferee
Prof. K. Christmann
dc.date.accepted
2007-12-11
dc.date.embargoEnd
2008-03-20
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003440-4
dc.title.translated
Development and investigation of a photoelectrochemical membrane for solar
hydrogen production from aqueous solutions
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000003440
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2008/207/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000003440
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access