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Atomic layer deposition for renewable energy conversion and storage
Atomic layer deposition for renewable energy conversion and storage
This thesis presents the results of a number of projects addressing the challenges associated with harvesting renewable energy and storing it in the form of hydrogen gas for use as an energy storage medium, a fuel or a chemical reactant. Thin films and nanostructures of transparent conductors, semiconductors and heterogeneous catalyst materials were combined into devices for photoelectrochemical water-splitting, water electrolysis anodes and hybrid perovskite photovoltaic cells. In most cases, these films were prepared by atomic layer deposition (ALD), a gas-phase method for the synthesis of solids, that excels at uniform and conformal coating of complex substrate structures. The presented projects include a studies on ALD hematite (Fe2O3) and ALD zinc ferrite (ZnFe2O4) as water oxidation photoanodes, the development of a new plasma-enhanced ALD process for nickel oxide thin film and the preparation of high-surface-area anodes for water electrolysis with a low loading of the noble metal catalyst iridium oxide., In dieser Arbeit werden die Ergebnisse einer Reihe von Projekten vorgestellt, die sich den Herausforderungen der Gewinnung regenerativer Energie und ihrer Nutzung zur Erzeugung von Wasserstoff, der als Energiespeicher sowie als Treib- und Prozessausgangsstoff verwendet werden kann, widmen. Dünnschichten und nanoskalige Strukturen aus transparenten elektrischen Leitern, Halbleitern und heterogenen Katalysatoren wurden kombiniert, um Materialsysteme für die photoelektrochemischeWasserspaltung, Anoden für dieWasserelektrolyse und hybride Perowskitsolarzellen herzustellen. Dabei wurde schwerpunktmäÿig die Atomlagenabscheidung (ALD), eine Form der chemischen Gasphasenabscheidung, eingesetzt, die sich hervorragend zur gleichmäßigen und konformen Beschichtung komplex strukturierter Substrate eignet. Unter anderem werden Studien an mit ALD hergestelltem Hämatit (Fe2O3) und Zinkferrit (ZnFe2O4) als Photoanoden für die Wasseroxidation vorgestellt, sowie die Entwicklung eines neuartigen Prozesses für die plasmagestützte ALD von Nickeloxidschichten und die Erzeugung von Wasserelektrolyseanoden mit hoher Oberfläche bei geringer Beladung mit dem Edelmetallkatalysator Iridiumoxid.
atomic layer deposition, water-splitting, electrolysis, nanostructures, thin films
Hufnagel, Alexander
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Hufnagel, Alexander (2018): Atomic layer deposition for renewable energy conversion and storage. Dissertation, LMU München: Faculty of Chemistry and Pharmacy
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Abstract

This thesis presents the results of a number of projects addressing the challenges associated with harvesting renewable energy and storing it in the form of hydrogen gas for use as an energy storage medium, a fuel or a chemical reactant. Thin films and nanostructures of transparent conductors, semiconductors and heterogeneous catalyst materials were combined into devices for photoelectrochemical water-splitting, water electrolysis anodes and hybrid perovskite photovoltaic cells. In most cases, these films were prepared by atomic layer deposition (ALD), a gas-phase method for the synthesis of solids, that excels at uniform and conformal coating of complex substrate structures. The presented projects include a studies on ALD hematite (Fe2O3) and ALD zinc ferrite (ZnFe2O4) as water oxidation photoanodes, the development of a new plasma-enhanced ALD process for nickel oxide thin film and the preparation of high-surface-area anodes for water electrolysis with a low loading of the noble metal catalyst iridium oxide.

Abstract

In dieser Arbeit werden die Ergebnisse einer Reihe von Projekten vorgestellt, die sich den Herausforderungen der Gewinnung regenerativer Energie und ihrer Nutzung zur Erzeugung von Wasserstoff, der als Energiespeicher sowie als Treib- und Prozessausgangsstoff verwendet werden kann, widmen. Dünnschichten und nanoskalige Strukturen aus transparenten elektrischen Leitern, Halbleitern und heterogenen Katalysatoren wurden kombiniert, um Materialsysteme für die photoelektrochemischeWasserspaltung, Anoden für dieWasserelektrolyse und hybride Perowskitsolarzellen herzustellen. Dabei wurde schwerpunktmäÿig die Atomlagenabscheidung (ALD), eine Form der chemischen Gasphasenabscheidung, eingesetzt, die sich hervorragend zur gleichmäßigen und konformen Beschichtung komplex strukturierter Substrate eignet. Unter anderem werden Studien an mit ALD hergestelltem Hämatit (Fe2O3) und Zinkferrit (ZnFe2O4) als Photoanoden für die Wasseroxidation vorgestellt, sowie die Entwicklung eines neuartigen Prozesses für die plasmagestützte ALD von Nickeloxidschichten und die Erzeugung von Wasserelektrolyseanoden mit hoher Oberfläche bei geringer Beladung mit dem Edelmetallkatalysator Iridiumoxid.