Technologische Entwicklung und Untersuchung des Korrosionsverhaltens von TiO2-Schichten für den Einsatz als Schutzschichten in siliziumbasierten Photoelektroden für die lichtinduzierte Wasserspaltung

Transparente, leitfähige Oxide (engl. transparent conductive oxides, kurz: TCOs) nehmen einen wichtigen Platz in der Herstellung von effizienten Solarzellen ein. Im Rahmen der Entwicklung von Si-basierten Photoelektroden (Solarzellen) für die lichtinduzierte Wasserspaltung werden chemisch stabile und gut leitfähige Kontakte an der Festkörper/Elektrolyt-Grenzfläche benötigt um das Silizium vor Korrosion zu schützen. Als geeignetes Material bietet sich Titanoxid (TiO2) an, das sowohl eine hohe chemische Stabilität in Laugen als auch eine ausreichende Leitfähigkeit aufweist, um als Kontakt zu fungieren. TiO2 kann mit Hilfe eines Kathodenzerstäubungsprozesses von einem keramischen Titanoxid-Target hergestellt werden. Dabei können die Transparenz durch Zugabe von Sauerstoff im Prozess oder aber die elektrischen Eigenschaften durch Zugabe von Wasserstoff verbessert werden. Bei der Ermittlung der idealen Prozessparameter spielt sowohl der gute Kontakt zur Photoelektrode als auch die zerstörungsfreie Beschichtung der bereits deponierten Zellstruktur eine entscheidende Rolle.

Innerhalb der Masterarbeit sollen TiO2-Schichten hergestellt und ihre elektrischen Eigenschaften so optimiert werden, dass die Schichten ähnliche Leitfähigkeiten aufweisen, wie die bisher verwendeten ZnO:Al Rückkontakte. Diese eignen sich aufgrund ihrer geringen chemischen Stabilität nicht für den Einsatz an der Festkörper/Elektrolyt-Grenzfläche. Das Erlangen einer geschlossenen Schicht auf optisch rauen Substraten sowie der Nachweis einer guten chemischen Beständigkeit in einem Ätztest sind elementare Bestandteile der Arbeit. Durch die Beigabe von Sauerstoff und Wasserstoff im Herstellungsprozess sollen die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schicht weiter angepasst werden.

Neben der Optimierung der Einzelschicht steht der Einbau von TiO2 als Funktionsschicht in Silizium-Solarzellen im Fokus. Hierbei sind die durch die Zelle gegebenen Randbedingungen (max. Prozesstemperatur, minimaler Ionenbeschuss, etc.) zu berücksichtigen. Beim Einbau der Schicht soll neben der Integration der Einzelschicht auch eine Betrachtung von möglichen Schichtkombinationen erfolgen, um einen optimalen Kontakt bei gleichzeitiger chemischer Beständigkeit zu ermöglichen. Hierbei bieten sich bereits etablierte, gut leitfähige Materialien wie aluminium-dotiertes Zinkoxid oder auch Wasserstoff-dotiertes Indiumoxid an. Eine Kombination mit TiO2-Nanopartikeln, die mit Hilfe des Spin-Coating Verfahrens aus der Flüssigphase abgeschieden werden können, ist ebenfalls möglich.

Weitere Informationen

Unternehmen

Helmholtz Gemeinschaft

Bereich/Abteilung

Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) - Photovoltaik

Abschlussart

Masterarbeit / Diplomarbeit

Branche

Schlagwörter

Schichtkombination Leitfähigkeit Prozessparameter Solarzellen

Anforderungen

Sie haben Physik, Elektrotechnik oder Materialwissenschaften studiert und suchen nach einer interessanten Masterarbeit im Bereich der Halbleitertechnik, Werkstoffkunde, Festkörperphysik. Sie sind motiviert und möchten gerne in einem internationalen Team in einer von Europas größten Forschungseinrichtungen eigenständig und selbstverantwortlich arbeiten. Sie können fachliche Diskussionen sowohl in englischer als auch in deutscher Sprache führen. Sie sind interessiert an praxisorientierter Arbeit und haben bereits Erfahrung im Labor gesammelt.

Zusatzinformationen

Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) - Photovoltaik

Am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5) - Photovoltaik werden neuartige Materialien sowie innovative Bauelementarchitekturen für die nachhaltige Photovoltaik auf der Basis dünner Schichten erforscht. Dabei werden einerseits die physikalischen Grundlagen der hauptsächlich ungeordneten Materialsysteme untersucht, etwa von amorphem und mikrokristallinem Silizium und deren Legierungen. Andererseits werden zukunftsweisende technologische Anwendungen entwickelt wie z.B. Hocheffizienz-Silizium-Heterostruktursolarzellen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine zielgerichtete Material- und Technologieentwicklung ist dabei die umfassende Charakterisierung und Modellierung der optoelektronischen Eigenschaften von Dünnschichtmaterialien und -bauelementen am IEK-5.

Dauer und Vergütung:
9 Monate, davon 6 vergütet (Beginn ab 01.10.15)