Atomic Layer Deposition Functionalization And Modification Of Three Dimensional Nanostructures For Energy Storage And Conversion

Um der steigende Nachfrage nach nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen in der Zukunft gerecht zu werden, wurden viele Anstrengen unternommen um hoch effiziente Energiespeicher und Bauelemente zur Energieumwandlung zu entwickeln. Insbesondere bieten Nanomaterialien neue Möglichkeiten um energiebezogene Bauelemente noch effizienter zu machen. Hier verspricht man sich von der Herstellung von dreidimensionalen Nanostrukturen weitere Effizienzsteigerungen im Vergleich zu planaren Strukturen. In dieser Arbeit werden hocheffiziente Energiespeicher und -umwandler durch die effektive Kombination von dreidimensionaler Mikro- und Nanotechnologie mit Atomlagenabscheidung hergestellt und systematisch charakterisiert. Im Folgenden die wichtigsten Ergebnisse: 1. Dreidimensionale nanoporöse Aluminiumdotierte Zinkoxid Elektroden wurden kostengünstig und kontrolliert mit Hilfe von Atomlagenabscheidung hergestellt. Die wichtigsten Parameter, Transparenz und elektrische Leitfähigkeit der Elektrode, wurde systematisch charakterisiert und der Einfluss der Dopingkonzentration und der Wachstumsbedingungen wurde analysiert. Es hat sich herausgestellt, dass die dreidimensionalen nanoporöse Aluminiumdotierte Zinkoxid Elektroden sich insbesondere als gute transparente Elektroden in der Photovoltaik und in optoelektronischen Bauelementen eignen. 2. Kern/Mantelnanostrukturen mit optimierter Struktur und Zusammensetzung können die Ausbäute von Sonnenlicht deutlich erhöhen. Eine vielversprechende Route mit starkem Fokus auf die skalierbare Herstellung von gut modulierten Kern/Mantel-Nanostrukturen wurde entwickelt, welche leicht an andere Metall und Halbleiter für photoelektrochemische Elektroden angepasst werden kann. Als Substrat dient ein regelmäßig angeordnetes Aluminium nano-Kegel-Array, welches mit einer Aluminium-dotiertem Zinkoxid / Titandioxid Kern/Mantel Struktur und regelmäßig verteilten Goldnanopartikeln überzogen ist. Die Herstellung wurde mit Hilfe von Atomlagenabscheidung, physikalischer Dampfabscheidung und einem Glühprozess realisiert. Durch gezielte Abstimmung der Struktur und Zusammensetzung konnte der Lichteinfang verbessert und die Ladungsträgerdiffusion optimiert werden. Plasmonenresonanz und katalytische Effekte konnten durch Goldnanopartikel kontrolliert werden. Dementsprechend konnte eine bemerkenswerte photoelektrochemische Leistungsfähigkeit erzielt werden. 3. Ein kostengünstiger Prozess für die Synthese von dreidimensionalen Platin Nanoröhren-Arrays, basierend auf der Atomlagenabscheidung und nanoporösen Templaten, wurde entwickelt. Dies gelang durch die Einführung eines low-nitrogen-filling Schritts. Kontinuierliche Platin Nanoröhren mit glatter Oberfläche wurden erzielt. Dabei wurde die Anzahl der Zyklen halbiert und die Pulszeit des Platinprecursors um 10 % reduziert im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Die hergestellten Platinnanoröhren-Arrays wurden als Stromkollektoren für dreidimensionale Pt/MnO2 Kern/Mantel Strukturen in Superkondensatoren eingesetzt. Die synthetisierte Struktur zeigte eine hohe spezifische Kapazität, gute Performance unter schneller Entladung und eine gute Zyklenbeständigkeit. 4. Eine ultra-niedrige Lademenge von sehr kleinen Platin Nanopartikeln auf Kohlenstoffnanofasern, welche mittels bakterieller Zellulose hergestellt wurde, wurde mit Hilfe der Atomlagenabscheidung erzielt. Die mit Platinpartikeln oberflächenmodifizierte Kohlenstoffnanofasern zeigten gute elektrokatalytische Aktivität und Stabilität gegenüber der Wasserstoffentwicklungsreaktion. Das Syntheseverfahren stellt eine allgemeine Strategie dar, um den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren unter Beibehaltung ihrer hohen katalytischen Effizienz zu minimieren. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse in Bezug auf die Herstellung von dreidimensionalen Nanostrukturen, ihre Funktionalisierung und die Implementierung in Bauelemente zur Energiespeicherung und -umwandlung, sollte eine starke Basis für zukünftige Bauelemente mit verbesserter Leistung liefern.