Energie

Druckabhängige Ionenbeweglichkeit in ZrO₂

Elektrolyte mit hoher ionischen Beweglichkeit bei nicht zu hohen Termperaturen sind die Voraussetzung für den Erfolg der Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells). Ein vielversprechender Kandidat ist Zirkonia (dotiertes ZrO₂). Bisher wurde hauptsächlich nicht die ionische Beweglichkeit vergrößert, sondern der ionische Widerstand (allerdings nicht entscheidend) durch dünnwandige Elektrolyte herabgesetzt. Hier untersuchen wir mit quantenmechanischen DFT-Rechnungen den Schlüssel zur ionischen Beweglichkeit: die Diffusions-Barrieren, in Abhängigkeit vom äußeren Druck. Unter mäßigem Druck finden wir erwartungsgemäß ein Anwachsen der Barrieren. Dagegen, zunächst überraschend, eine enorme Abnahme bei hohen Drücken. Mit einem analytischen Modell gelingt es, dies Verhalten zu verstehen.

(J. A. Hirschfeld, H. Lustfeld)

Dielektrische Konstante und Energie Speicherung in metallischen Verbund-Elektrolyten

Die bereits großen dielektrischen Konstanten einiger Elektrolyte wie BaTiO₃  können durch Hinzufügen metallischer Nanopartikel (mit Konzentration p) um einen Faktor von mehr als 1000 vergrößert werden nahe der Perkolationsschwelle. Paradoxer Weise geht dieses steile Anwachsen der dielektrischen Konstante nicht einher mit einem entsprechenden Anwachsen der Energiespeicherung. Stattdessen findet eine dramatische Abnahme der Energiespeicherung statt. Auf der Basis von Perkolationstheorie kann dies Paradoxon jedoch erklärt werden.

(H. Lustfeld, C. Pithan, M. Reißel)

Photovoltaische Absorbermaterialien von (fast) unbegrenzter Verfügbarkeit

Photovoltaische Energieerzeugung in großen Maßstab bedingt nicht nur eine hohe Effizienz der Absorbermaterialien, auch die Verfügbarkeit der eingesetzten chemischen Elemente und die Umweltverträglichkeit der verwendeten Materialien rücken zunehmend in den Vordergrund des Interesses. Auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie und Vielteilchen-Störungstheorie untersuchen wir Verbindungen von Elementen die reichlich verfügbar sind und widmen uns nicht nur den Absorptionseigenschaften der Volumsmaterialien, sondern auch den Ober- und Grenzflächen an denen Elektronen auf ihrem Weg zu den Kontakten der Solarzelle eingefangen werden können. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Ladungsdichte eines Oberflächenzustands der sich in der Bandlücke von Eisendisilizid bildet. Solche Zustände sind für die hohe Reaktivität der Oberfläche verantwortlich und können leicht zu einer Effizienzminderung der Solarzelle führen.

(T. Schena, P.Xu and G. Bihlmayer)