Energieumwandlungskonzept mittels Halbleiter-Dünnschichtsystemen unter Protonenstrahlung

Der aktuelle Stand der Technik zur Energieversorgung im Weltraum, auf dem Mond und Mars, beruht meist auf Solarzellentechnologien. Die dort herrschenden extremen Bedingungen stellen nach wie vor ungelöste Herausforderungen dar. Gegenwärtig existiert keine Technologie, welche Effizienz und Langzeitstabilität für Mond- und Marsmissionen optimal kombiniert. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Grundsteines für neuartige Material- und Zellkonzepte. Für die Erreichung dieses Zieles stehen eine präzise Fertigung im Bereich der Beschichtungstechnologie sowie eine gezielte Modifikation von Molekülen im Fokus. Motiviert durch die hohen Anforderungen an Materialbeständigkeit und Effizienz unter extremen extraterrestrischen Strahlungsbedingungen, besteht die zentrale Fragestellung inwiefern sich die ionisierende Protonenstrahlung für weltraumtechnische Anwendungen nutzbar machen lässt. Im neuartigen hybriden inversen Zellkonzept finden anorganische und organische Materialien zwischen Elektroden im vierlagigen Schichtaufbau ihren Einsatz. Der Fokus liegt dabei auf einem p-leitenden Nickeloxid und einem n-leitenden 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA), welches in unterschiedliche Perylen–Diimid Derivate funktionalisiert wurde. Untersucht wurden die Herstellung von Halbleiter Dünnschichten und der Einfluss der Funktionalisierung auf die thermischen Eigenschaften, die Dünnschicht Morphologie und Zusammensetzung, sowie auf die optischen und fundamentalen Bandlücken. Letztere wurden mit Tauc Plots, UPS und REELS Messungen bestimmt. Den Abschluss bilden Charakterisierungen unter simulierten Weltraumbedingungen. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit der Herstellung mittels thermischen Vakuumverdampfen und RF Magnetron Sputtering von homogenen Filmen mit niedrigen Rauheiten. Das Abscheideverfahren beeinflusst die Morphologie deutlich. Perylen–Diimide zeigen eine abnehmende thermische Stabilität und Änderungen in den Bandlücken, abhängig von den elektronenschiebenden oder -ziehenden Eigenschaften der funktionellen Gruppen. Einzelschichten zeigen unter Bestrahlung Farbveränderungen, während der hybride inverse Zellaufbau in Strom-Spannungs-Messungen unter Bestrahlung bis zu einer Expositionsdauer von 3 Stunden einen Kurvenanstieg und anschließend einen abrupten Abfall demonstriert. Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Energieumwandlungssysteme für zukünftige Mond- und Marsmissionen.