Das Projekt beabsichtigt die Entwicklung von III-V-Verbindungshalbleitern (GaN, InN, GaSb, InSb und AlSb) und Metallsulfid-Verbindungshalbleitern (ZnS- und GaS) Dünnfilmen und Nanostrukturen (Nanoröhrchen, Nanodrähte und makroporöse Strukturen) bei elektrochemischer Abscheidung/stromloser Abscheidung in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten nahe Raumtemperatur. Der Hauptfokus wird auf das Verständnis des Reaktionsmechanismus der Bildung der Verbindungshalbleiter gesetzt. Die Reaktionsmechanismen werden anhand von IL-Salz-Mischungen, Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche und der hergestellten Strukturen und Schichten analysiert. Der Einfluss der IL-Zusammensetzung auf die Morphologie und die optischen Eigenschaften der erhaltenen Halbleiter wird untersucht. Zusätzlich werden die Halbleiternanostrukturen Templat-basiert und Templat-frei elektrochemisch hergestellt, was eine neue Methode zur Synthese von Halbleiternanostrukturen nahe Raumtemperatur eröffnet.
Die synthetische Materialchemie steht vor enormen Herausforderungen: Die Energiewende erfordert völlig neue Materialien mit herausragenden Eigenschaften - effektive Fotokatalysatoren für die solargetriebene Wasserstoffentwicklung, effiziente Energiespeichermaterialien, Materialien für Energiekonversion und vieles mehr. Auf der anderen Seite besteht die zwingende Notwendigkeit des ressourcenschonenden Einsatzes von Rohstoffen und Energie durch effizientere Herstellung bekannter und bereits verwendeter Materialien. Hier müssen nachhaltige chemische Prozesse erdacht und entwickelt werden, die bei niedrigerer Temperatur ablaufen, höhere Reinheit und Ausbeute ermöglichen und weniger Abfall produzieren. Eine Erfolg versprechende Option hierfür ist die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten (engl. Ionic Liquids, ILs) - organische Salze, die bereits unterhalb 100 Grad Celsius, oftmals sogar bei Raumtemperatur, als hoch polare Flüssigkeiten vorliegen. Die einzigartigen Eigenschaften dieser neuartigen 'Designer-Lösungsmittel' lassen sich durch vielfältige Variation ihrer chemischen Zusammensetzung an das jeweilige Synthesesystem adaptieren. Vielversprechende erste Forschungsergebnisse zeigen, dass unter Nutzung von ILs anorganische Materialien (Metalle, Legierungen, Halbleiter, Hartstoffe, Funktionswerkstoffe etc.) unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Dadurch lassen sich Energieeinsatz und technischer Aufwand im Vergleich zu den bisher notwendigen Hochtemperaturprozessen, wie Schmelzreaktionen, Solvothermalsynthesen oder Gasphasenabscheidungen, enorm reduzieren. Zugleich werden chemische Materialsynthesen besser steuerbar, was ebenfalls die Energie- und Rohstoffeffizienz erhöht. Unabhängig davon eröffnen Synthesen in ILs die Möglichkeit, auch völlig neue Niedertemperaturverbindungen mit noch unbekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften erstmalig zugänglich zu machen. Tatsächlich lassen sich in diesem frühen Stadium der Forschung noch längst nicht alle wissenschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Implikationen abschätzen. Somit sind die Ziele des Schwerpunktprogramms: (1) Etablierung IL-basierter ressourceneffizienter Synthesen für bekannte Funktionsmaterialien, (2) Entdeckung neuartiger, auch unorthodoxer Funktionsmaterialien, die nur durch die Synthesen nahe Raumtemperatur in ILs zugänglich sind, (3) Verständnis der Prinzipien von Auflösung, Reaktion und Abscheidung anorganischer Feststoffe in ILs.
Untersuchung von photoelektrochemischen Systemen am Beispiel von n-TiO2-Halbleiterelektroden. Zusammenhang zwischen photophysikalischen, elektrochemischen und halbleiterphysikalischen Daten von unterschiedlich hergestellten polikristallinen TiO2-Schichten. Vergleich thermisch oxidierter, anodisch oxidierter und vakuum-aufgedampfter Halbleiter. Messung ihrer Stabilitaet und der Photoeffizienz. Untersuchung von Farbstoffen hinsichtlich Stabilitaet gegenueber Angriff von H- und OH-Radikalen, die bei der photokatalytischen H2O-Spaltung entstehen. Untersuchung von Methylenblau, Thionin, Acridinorange, Rhuteniumpyridil, Prophyrine etc. TiO2-Suspensionen als Photokatalysator fuer O2-Entwicklung aus sauren und Ce4+-haltigen waessrigen Systemen. Farbstoffsensibilisierung an Halbleiterelektroden: Farbstoffe im Elektrolyten oder adsorbiert an der Halbleiteroberflaeche.
Im Zusammenhang mit der Reinigung von durch Kohlenwasserstoffe bzw. Stickoxide belasteten Abgasen ist der Einsatz von Halbleitern, wie z.B. TiO2, als Photokatalysatoren vor allem deshalb interessant, weil die Verbrennungs- bzw. Reduktionsreaktionen bei Raumtemperatur ablaufen können. Die praktische Anwendung ist allerdings durch die bisher erreichten, noch zu geringen Katalysatoraktivitäten begrenzt. Im Rahmen des Projektes sollen der Einfluss von Lichtwellenlänge, Lichtintensität und Kristallitgröße auf Geschwindigkeit und Selektivität (z.B. NO2, NO, N2O, N2) der Umsetzung untersucht werden. Es umfasst die Katalyse aus Sicht der Technischen Chemie und das Problem der Herstellung und Charakterisierung nanokristalliner, d.h. grenzflächendominierter Materialien aus Sicht der Festkörper Physikochemie. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es vor allem, am Beispiel ausgewählter Reaktionen die Einflüsse der Eigenschaften des Katalysatormaterials auf den Ablauf von mit Photohalbleitern katalysierten Gasreaktionen herauszuarbeiten und in einem Modell zusammenzuführen.
Verwendet man halbleitende Materialien als Elektroden in elektrochemischen Zellen, so beobachtet man, dass bei Belichtung - also auch bei Sonneneinstrahlung - Photostroeme auftreten. Die so in Elektroenergie umgewandelte Strahlungsenergie kann direkt oder zur Wasserzersetzung, das heisst zur Wasserstofferzeugung, verwendet werden. Der geschilderte Funktionsablauf ist experimentell in den verschiedenen Stufen wenig untersucht. Zunaechst sollen moeglichst billige Halbleitermaterialien als Elektroden praepariert in elektrochemischen Solarzellen eingesetzt werden. Mit amorphen Halbleitern sollten kostenguenstige Anlagen erstellbar sein. Das Elektrodenmaterial selbst darf bei den auftretenden Photopotentialen nicht zersetzt werden.
Heutige Batterietechnologien basieren hauptsächlich auf Metallen wie Lithium, Blei, Kobalt oder Nickel. Deren begrenztes natürliches Vorkommen sowie Toxizität und die daraus resultierenden Entsorgungsprobleme schränken jedoch die langfristige Verwendung solcher Metalle ein. Als Alternative haben sich im Rahmen jüngster Forschungen polymere Verbindungen, also Kunststoffe, herausgestellt. In diesem Zusammenhang wurden insbesondere Polymere, die stabile organische Radikale enthalten, intensiv untersucht und zeigten vielversprechende Ladungsspeichereigenschaften, insbesondere eine überlegene Redoxkinetik. Solche Materialien leiden jedoch unter unzureichender elektrischer Leitfähigkeit, die die anwendbaren Lade- und Entladeraten begrenzt, wodurch die vorteilhaften Elektronentransfereigenschaften aufgehoben werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung dieses Problems ist der Einbau von leitfähigen, d.h. konjugierten Polymeren. Diese Materialien bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften, die für eine organische Batterie ausgenutzt werden können: (i) Als Halbleiter zeigen sie elektrische Leitfähigkeit; (ii) sie können durch Elektropolymerisation hergestellt werden und bieten so eine effiziente Möglichkeit, direkt auf Elektrodenoberflächen abgeschieden zu werden; (iii) sie bieten intrinsische Ladungsspeicherfähigkeit. Allerdings zeigen Systeme, die auf der eigenen Speicherfähigkeit von konjugierten Polymeren basieren häufig driftende Lade- und Entladespannung, was deren Anwendungspotenzial erheblich einschränkt. In Kombination mit stabilen Redoxeinheiten, die die Ladungsspeicherung übernehmen, wie organische Radikale, können aber die elektrische Leitfähigkeit sowie die elektrochemische Verarbeitbarkeit zu vielversprechenden Batterieaktivmaterialien führen. Trotzdem wurden bisher nur wenige solche Beispiele in der Literatur vorgestellt. Daher soll im Rahmen dieses Projekts die Palette organischer Batteriematerialien durch die Kombination stabiler organischer Radikale mit elektropolymerisierbaren Einheiten erweitert werden, um Systeme herzustellen, die sowohl verbesserte elektrochemische Stabilität als auch elektrische Leitfähigkeit bieten.
Im Teilvorhaben der Siemens AG wird an einer verbesserten und zuverlässigeren Nutzung von Stromrichter-basierten Anlagen und ihrer kritischen Komponenten geforscht. Durch eine effizientere Nutzung von Stromrichtern und der damit einhergehenden Lebensdauererweiterung und verbesserten Zuverlässigkeit lassen sich natürliche Ressourcen einsparen. Ziel des Teilvorhabens ist eine sensorbasierte Zustandsüberwachung, die es erlaubt die daraus ermittelte Alterung in eine individuelle Betriebsstrategie einfließen zu lassen, die das PV-System optimal ausnutzt ohne Leistung oder Lebensdauer zu verschwenden. Anhand von zusätzlicher Sensorik im Leistungsmodul sollen Lebensdauervorhersagen getroffen werden, die als Grundlage für Modelle von PV-Stromrichter-Systemen dienen sollen. Hierzu werden geeignete Sensoren im Hinblick auf deren Sensitivität zur Alterungsdetektion für Stromrichterkomponenten ausgewählt und experimentell bewertet. Durch beschleunigte Lebensdauerprüfungen werden verschiedene Alterungsausfälle generiert und durch Sensoren frühzeitig detektiert und bewertet. Die im Rahmen der Experimente erfassten Sensordaten werden mit konventionellen Daten aus beschleunigten Lebensdauerprüfungen verglichen, um Aussagen zum Mehrwert der sensorbasierten Lebensdauerüberwachung treffen zu können. Hierfür werden spezifische Teststände für die Halbleiter für messtechnisch unterstützte Optimierungen aufgebaut und die Sensorik im Leistungsmodul erweitert. Siemens stellt die sensorbasierten Messdaten aus beschleunigten Lebensdauerprüfungen den Projektpartnern zur Entwicklung digitaler Zwillingsmodelle, welche Alterungserscheinungen und individuelle, in der Anwendung vorkommende Belastungen berücksichtigen, zur Verfügung. Insbesondere dienen die generierten Sensordaten bei Projektpartnern als Input für KI-basierte Life Modelle. Diese optimiert die Ausnutzung und die Lebensdauer von PV-Stromrichter-Systemen, indem sie die Betriebsparameter entsprechend der zunehmenden Alterung anpasst.
Im Teilvorhaben der Siemens AG wird an einer verbesserten und zuverlässigeren Nutzung von Stromrichter-basierten Anlagen und ihrer kritischen Komponenten geforscht. Durch eine effizientere Nutzung von Stromrichtern und der damit einhergehenden Lebensdauererweiterung und verbesserten Zuverlässigkeit lassen sich natürliche Ressourcen einsparen. Ziel des Teilvorhabens ist eine sensorbasierte Zustandsüberwachung, die es erlaubt die daraus ermittelte Alterung in eine individuelle Betriebsstrategie einfließen zu lassen, die das PV-System optimal ausnutzt ohne Leistung oder Lebensdauer zu verschwenden. Anhand von zusätzlicher Sensorik im Leistungsmodul sollen Lebensdauervorhersagen getroffen werden, die als Grundlage für Modelle von PV-Stromrichter-Systemen dienen sollen. Hierzu werden geeignete Sensoren im Hinblick auf deren Sensitivität zur Alterungsdetektion für Stromrichterkomponenten ausgewählt und experimentell bewertet. Durch beschleunigte Lebensdauerprüfungen werden verschiedene Alterungsausfälle generiert und durch Sensoren frühzeitig detektiert und bewertet. Die im Rahmen der Experimente erfassten Sensordaten werden mit konventionellen Daten aus beschleunigten Lebensdauerprüfungen verglichen, um Aussagen zum Mehrwert der sensorbasierten Lebensdauerüberwachung treffen zu können. Hierfür werden spezifische Teststände für die Halbleiter für messtechnisch unterstützte Optimierungen aufgebaut und die Sensorik im Leistungsmodul erweitert. Siemens stellt die sensorbasierten Messdaten aus beschleunigten Lebensdauerprüfungen den Projektpartnern zur Entwicklung digitaler Zwillingsmodelle, welche Alterungserscheinungen und individuelle, in der Anwendung vorkommende Belastungen berücksichtigen, zur Verfügung. Insbesondere dienen die generierten Sensordaten bei Projektpartnern als Input für KI-basierte Life Modelle. Diese optimiert die Ausnutzung und die Lebensdauer von PV-Stromrichter-Systemen, indem sie die Betriebsparameter entsprechend der zunehmenden Alterung anpasst.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 1020 |
| Land | 6 |
| Wirtschaft | 82 |
| Wissenschaft | 485 |
| Zivilgesellschaft | 12 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 1019 |
| unbekannt | 1 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 1 |
| Offen | 1019 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 979 |
| Englisch | 91 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 8 |
| Keine | 424 |
| Webseite | 591 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 419 |
| Lebewesen und Lebensräume | 414 |
| Luft | 470 |
| Mensch und Umwelt | 1013 |
| Wasser | 201 |
| Weitere | 1020 |