Energy

Strain-dependent ionic migration 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)

Dielectric constant and energy storage in metallic electrolyte composites

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)

Photovoltaic absorber materials with (almost) unlimited availability

Large scale photovoltaic energy generation necessitates not only a high efficiency of the absorber materials, but also calls for an almost unlimited availability of the used elements and environmental sustainability of the solar cells. We explore compounds of abundant elements by density functional theory and manybody perturbation theory and address not only the absorption properties of the bulk, but also explore its surfaces and interfaces where electrons can get trapped on their way to the front- and back-contacts of the photovoltaic cell. The image on the right shows the charge density of dangling bond states that are formed in the energy gap of iron disilicide. These states lead to a high reactivity of the surface and facilitate the easy formation of charge trapping layers

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