Universität zu Köln

Gad, Alaaeldin Abdeltawab Mohamed (2013). Solar Diodes: Novel Heterostructured Materials for Self-Powered Gas Sensors. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The integration and correlation of multiple nanomaterial components and junctions in a singular device can open exciting new avenues for more advanced functionalities in nanodevices. One of the key challenges is to achieve controlled and reproducible synthetic protocols of such complex heterostructures with optimal material combinations and geometries. Due to the current global challenges including growing energy demand, limitation of natural resources, as well as envi-ronmental issues, research efforts have been devoted to the development of self-powered nanodevices that are capable of harvesting renewable energies such as solar and mechanical energies. Nevertheless, the current concept of self-powered nanodevices is based on coupling an external energy harvesting unit, such as a solar cell or piezo-electric nanogenerator, with the functional nanodevices. In this work, an innovative approach, named solar diode sensor (SDS), has been developed to realize an autonomously operated gas sensor with no additional need of coupling it to a powering devices. The SDS based on a CdS@n-ZnO/p-Si nanosystem unifies gas sensing (CdS@n-ZnO) and solar energy harvesting (n-ZnO/p-Si) functionalities in one single device. A novel sensing mechanism (change of open circuit voltage, ∆Voc), in comparison to the well-known conductometric sensors (∆R), was demonstrated. It was explained in terms of modulated polarization of the nanoparticles/nanowire interface, gas-material surface interactions and the subsequent changes in the donor density of ZnO (ND), which is manifested in the varia-tion of Voc in CdS@n-ZnO/p-Si. The fabricated sensors were capable of detecting oxidizing (e.g. oxygen) and reducing gases (such as ethanol and methane) with reproducible response at room temperature and with no need of any other energy source except solar light illumination to deliver a self-sustained gas sensor signal. The generality of the new concept was demonstrated by extending the approach to other nanomaterial geometries including radial heterojunctions of CdS@ZnO/p-Si nanowires and thin-film planar heterojunction. Additionally, the fabrication of stand-alone single nanowire devices was employed to study the inherent intrinsic electrical and functional properties of single coaxial heterostructures. In this work, the electrical characterization, the photovoltaic and gas sensing performances of a heterojunction device based on a single coaxial n-ZnO/p-Si nanowire were preliminary assessed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Solar Diodes: Novel Heterostructured Materials for Self-Powered Gas Sensors English
Translated abstract:	Abstract Language Die Integration und Korrelation verschiedener Nanomaterialien und die damit verbundene Erzeugung von Grenzflächen-bestimmende Eigenschaften innerhalb eines Bauteils, eröffnet interessante Wege für die Herstellung neuartiger Nanobauteile mit kombinierten Funktionen. Eine der zentralen Herausforderungen hierbei liegt in der Entwicklung kontrollierter und reproduzierbarer Syntheseprotokolle solcher komplexer Heterostrukturen mit optimaler Materialkombination und Geometrie. Aufgrund der aktuellen gloablen Herausforderungen wie steigender Energienachfrage, Ressourcenknappheit, sowie zunehmender Umweltverschmutzung, wird vermehrt an der Entwicklung von Nanobauteilen mit eigener Energieversorgung geforscht, welche die Möglichkeit besitzen, regenerative Quellen wie Solarenergie und mechanische Energie zu nutzen. Dennoch basieren die aktuellen Konzepte für energetisch autarke Nanobauteile auf der reinen Kopplung zwischen einer externen Energiequelle, wie Solarzellen oder Piezoelementen, und einer funktionalen Einheit. In dieser Arbeit wurde ein innovativer Ansatz namens Solar-Dioden-Sensor (SDS) verfolgt, um einen selbstversorgenden Gassensor zu entwickeln, welcher ohne die Kopplung an eine Energiequelle auskommt. Dieser Ansatz basiert auf CdS@n-ZnO/p-Si Nanosystemen welche einen Gassensor (CdS@n-ZnO) und eine Solarzelle (n-ZnO/p-Si) in einer einzigen Baueinheit vereinen. Ein im Vergleich zu den bekannten konduktometrischen Sensoren (∆R) neuartiger Sensorik-Mechanismus (Änderung der Leerlaufspannung, ∆Voc) wurde entwickelt und erläutert. Grundlage hierfür sind eine modulierte Polarisation von Nanopartikeln/Nanodrähten, Gas-Material-Wechselwirkung und darauffolgende Änderungen im Dotierungslevel (ND), welche sich durch eine Variation der VOC in CdS@n-ZnO/p-Si wiederspiegelt. Die hergestellten Sensoren waren in der Lage bei Raumtemperatur und ohne externes Bauteil zur Energieversorgung nur mit Hilfe von Sonnenlicht ein reproduzierbares und anhaltendes Sensorsignal auf oxidierende (z.B. Sauerstoff) und reduzierende (z.B. Ethanol und Methan) Gase zu liefern. Die Allgemeingültigkeit und Anwendbarkeit dieses neuen Konzeptes wurde demonstriert durch Erweiterung des Ansatzes auf andere Geometrien wie radiale Heterostrukturen basierend auf CdS@ZnO/p-Si Nanodrähten und Dünnschicht-Heterostrukturen. Zusätzlich wurden autonome Einzeldraht-Nanobauteile hergestellt, um die inhärenten intrin-sischen elektrischen und funktionellen Eigenschaften von koaxialen Heterostrukturen zu studieren. In dieser Arbeit wurde die elektrische Charakterisierung, die Photovoltaikleistung und die sensorische Effizienz einer Heterostruktur basierend auf einzelnen, koaxialen n-ZnO/p-Si Nanodrähten zum ersten Mal adressiert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gad, Alaaeldin Abdeltawab Mohamed agadnrc@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-53476
Date:	9 September 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Inorganic Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Solar Diodes-Heterostructures-Self-Powered-Gas Sensors English
Date of oral exam:	22 October 2013
Referee:	Name Academic Title Mathur, Sanjay Prof. Dr. Meyer, Gerd Prof. Dr.
Funders:	was supported by a doctoral fellowship of German Academic Exchange Service (DAAD) and the Egyptian Ministry of Higher Education in the framework of the German-Egyptian Long-Term Scholarship (GERLS, Grant No. A/09/92414)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5347