DE112011100848B4 - Wasser spaltende Vorrichtung und Verfahren einer Verwendung davon - Google Patents

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Abstract

Wasser spaltende Vorrichtung, mit einem Photolyseelement mit einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs und einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs an der der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs gegenüberliegenden Seitenoberfläche, das auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltes Licht zum Spalten des Wassers nutzt, und um dadurch Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu erzeugen und Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu erzeugen, einer Wasserstoff erzeugende Zelle, die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs hält und den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs erzeugten Wasserstoff sammelt, und einer Sauerstoff erzeugende Zelle, die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs hält, den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs erzeugten Sauerstoff sammelt, und über das Photolyseelement an die Wasserstoff erzeugende Zelle angrenzt, wobei in dieser Wasser spaltenden Vorrichtung das Photolyseelement Durchgangsöffnungen aufweist, die eine Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle ermöglichen, und die Durchgangsöffnungen derart angeordnet sind, dass für die Spaltung von Wasser auf eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs oder des p-Typs gestrahltes Licht nicht zu der gegenüberliegenden Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche durchgelassen wird.

Description

  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasser spaltende Vorrichtung, die zur Wasserspaltung einen Photokatalysator verwendet, und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • In den vergangenen Jahren sind viele Vorschläge zur Verwendung von Wasserstoff als einer Energiequelle für saubere Energie gemacht worden.
  • Um Wasserstoff herzustellen, wurde herkömmlicherweise die Technik der Dampfreformierung unter Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes verwendet. Ferner wurde in den vergangenen Jahren erwogen, Wasserstoff aus Wasser durch die Spaltung von Wasser, insbesondere die Spaltung von Wasser unter Verwendung von aus Sonnenlicht gewonnener Energie, zu erhalten. Wenn Wasserstoff aufgrund der Spaltung von Wasser erhalten wird, ist das erhaltene Produkt manchmal eine Mischung aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Um den Wasserstoff zu erhalten ist es in diesem Fall notwendig, nur diesen Wasserstoff aus dieser Mischung zu trennen und zu entnehmen.
  • Hinsichtlich dessen schlagen die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. JP 2001-213608 A , die japanische Patentveröffentlichung Nr. JP 10-218601 A , die internationale Patentveröffentlichung WO 99/38215 A1 und die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. JP 2008-075097 A Wasser spaltende Vorrichtungen vor, die Wasser zum katalytischen oder elektrolytischen Spalten von Wasser verwenden, wobei der Wasserstoff und der Sauerstoff an separaten Elektroden erzeugt werden und der Wasserstoff und der Sauerstoff dadurch getrennt gewonnen werden.
  • Die Druckschrift DE 26 50 267 A1 beschreibt eine Photoelektrolysezelle zur Gewinnung von Wasserstoff mit Sonnenbestrahlung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß ist neben einer Wasserstoff und Sauerstoff an separaten Elektroden erzeugenden Wasser spaltenden Vorrichtung mit einer die effiziente Durchführung einer photokatalytischen Reaktion ermöglichenden Struktur ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung geschaffen.
  • Die erfindungsgemäße Wasser spaltende Vorrichtung hat ein Photolyseelement mit einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs und einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs an der der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs gegenüberliegenden Seitenoberfläche, das auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltes Licht zum Spalten des Wassers nutzt, und um dadurch Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu erzeugen und Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu erzeugen; eine Wasserstoff erzeugende Zelle bzw. ein Wasserstoff erzeugender Zellbereich, die bzw. der die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs hält und den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs erzeugten Wasserstoff sammelt; und eine Sauerstoff erzeugende Zelle bzw. ein Sauerstoff erzeugender Zellbereich, die bzw. der die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs hält, den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs erzeugten Sauerstoff sammelt, und über das Photolyseelement an die Wasserstoff erzeugende Zelle bzw. den Wasserstoff erzeugenden Zellbereich angrenzt.
  • Bei dieser erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung weist das Photolyseelement Durchgangsöffnungen auf, die eine Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle bzw. dem Wasserstoff erzeugenden Zellbereich und der Sauerstoff erzeugenden Zelle bzw. dem Sauerstoff erzeugenden Zellbereich ermöglichen. Die Durchgangsöffnungen sind derart angeordnet, dass für die Spaltung von Wasser auf eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs oder des p-Typs gestrahltes Licht nicht zu der gegenüberliegenden Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche durchgelassen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 3 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Betriebs einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 4 sind eine Draufsicht (a) und eine perspektivische Ansicht (b) eines Photolyseelements, das in der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung verwendbar ist.
  • 5 sind eine Draufsicht (a) und eine perspektivische Ansicht (b) eines anderen Photolyseelements der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 6 sind eine Draufsicht (a) und eine perspektivische Ansicht (b) eines anderen Photolyseelements der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 7 sind eine Draufsicht (a) und eine perspektivische Ansicht (b) eines anderen Photolyseelements der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • 8 sind eine Draufsicht (a) und eine perspektivische Ansicht (b) eines Photolyseelements einer herkömmlichen Wasser spaltenden Vorrichtung.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die erfindungsgemäße Wasser spaltende Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff an separaten Elektroden, und dadurch die getrennte Gewinnung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs.
  • Insbesondere kann die erfindungsgemäße Wasser spaltende Vorrichtung zum Beispiel einen wie in 1 gezeigten Aufbau haben. Dabei weist die erfindungsgemäße Wasser spaltende Vorrichtung in der in dieser 1 gezeigten Ausgestaltung ein Photolyseelement (10) mit einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) und einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs (P) an der der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) gegenüberliegenden Seitenoberfläche; eine Wasserstoff erzeugende Zelle (20), die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) hält und den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) erzeugten Wasserstoff (21) sammelt; und eine Sauerstoff erzeugende Zelle (30), die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs (P) hält, den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs (P) erzeugten Sauerstoff (31) sammelt, und über das Photolyseelement (10) an die Wasserstoff erzeugende Zelle (20) angrenzt, auf.
  • Dabei hat das bei der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung verwendete Photolyseelement (10), wie in 2 gezeigt, die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) und eine gegenüberliegende Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs (P). Durch die transparenten Fensterteile (25, 35) der Wasserstoff erzeugenden Zelle (20) und/oder der Sauerstoff erzeugenden Zelle (30) auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltes Licht (50) spaltet das Wasser (60), um die Erzeugung von Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu bewirken, und um die Erzeugung von Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu bewirken.
  • Insbesondere versorgt das auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahlte Licht, wie in 2 gezeigt, die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs (N) mit Elektronen (–), um Wasserstoff (H2) aus Wasserstoffionen (H+) zu erzeugen, und versorgt die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs (P) mit Löchern (+), um Sauerstoff (O2) und Wasserstoffionen (H+) aus Wassermolekülen (H2O) zu erzeugen. Zu beachten ist, dass diese Reaktion wie in 3 gezeigt dargestellt werden kann, wenn das zu spaltende Wasser mehr Hydroxidionen (OH–) als Wasserstoffionen enthält.
  • Bei der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung weist das Photolyseelement Durchgangsöffnungen auf, die eine Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle ermöglichen. Die Durchgangsöffnungen sind derart angeordnet, dass für die Spaltung von Wasser auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs oder des p-Typs gestrahltes Licht nicht zu der gegenüberliegenden Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche durchgelassen wird.
  • Das heißt, dass bei der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung, wie in 1 gezeigt, zusätzlich zu oder anstelle von einer ermöglichten Zirkulation von Wasser (60) durch einen optionalen Ionenaustauschfilm (42) und eine Zellverbindungsöffnung zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle (20) und der Sauerstoff erzeugenden Zelle (30), wie durch die Pfeilmarkierungen (62, 64) gezeigt, eine ermöglichte Zirkulation von Wasser (60) durch die Durchgangsöffnungen des Photolyseelements (10) zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle (20) und der Sauerstoff erzeugenden Zelle (30), wie durch die Pfeilmarkierungen (66) gezeigt, realisierbar ist.
  • Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Photolyseelement Durchgangsöffnungen auf, die die Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle ermöglichen, so dass eine Bewegung der elektrolytischen Lösung zwischen der Seite einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs, die in der Wasserstoff erzeugenden Zelle angeordnet ist, und der Seite einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs, die in der Sauerstoff erzeugenden Zelle angeordnet ist, einfach ist. Das heißt, in diesem Fall können sich zum Beispiel die an der Seite einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs erzeugten Wasserstoffionen (H+) schnell zu der Seite einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs bewegen.
  • Ferner sind entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Durchgangsöffnungen an Positionen angeordnet, die nicht von dem auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs zur Spaltung von Wasser gestrahlten Licht getroffen werden, so dass das Vorhandensein der Durchgangsöffnungen nicht bewirkt, dass die Wasser spaltende Elektrode bezüglich der Licht aufnehmenden Fläche verkleinert wird. Das heißt, dass entsprechend dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung das auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahlte Licht effektiv genutzt werden kann.
  • Die Durchgangsöffnungen des Photolyseelements der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung können in beliebiger Weise angeordnet sein, so lange für die Spaltung von Wasser auf eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs oder des p-Typs gestrahltes Licht nicht zu der gegenüberliegenden Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche durchgelassen wird.
  • Folglich können die Durchgangsöffnungen zum Beispiel auch in einer Richtung ausgebildet sein, die sich von der Einfallsrichtung des für die Spaltung von Wasser auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahlten Lichts unterscheidet, insbesondere in einem Winkel, der sich von dieser Einfallsrichtung von Licht um 20° oder mehr, 50° oder mehr, oder 80° oder mehr unterscheidet. Insbesondere können die Durchgangsöffnungen in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Einfallsrichtung von für die Spaltung von Wasser auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltem Licht angeordnet sein.
  • Die in einer sich von der Einfallsrichtung des Lichts unterscheidenden Richtung angeordneten Durchgangsöffnungen können in beliebiger Weise ausgebildet sein.
  • Folglich kann das Photolyseelement (10a), wie in 4 gezeigt, zum Beispiel eine gebogene Struktur aufweisen, und die Durchgangsöffnungen können in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Einfallsrichtung von für eine Spaltung von Wasser auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltem Licht angeordnet sein. In diesem Fall kann, wie durch die Pfeilmarkierungen (11a) gezeigt, Wasser durch die Durchgangsöffnungen zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle zirkuliert werden.
  • Ferner kann, wie in 5 bis 7 gezeigt, das Photolyseelement zum Beispiel auch aus einer Gruppe einer Vielzahl von sekundären Photolyseelementen (10b, 10c und 10d) bestehen, die zueinander versetzt gestapelt sind, und dadurch als Freiräume zwischen der Vielzahl von sekundären Photolyseelementen ausgebildete „Durchgangsöffnungen” aufweisen. In diesem Fall kann, wie durch die Pfeilmarkierungen (11b, 11c und 11d) gezeigt, Wasser durch die Durchgangsöffnungen zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle zirkuliert werden.
  • Zu beachten ist, dass eine Vielzahl von sekundären Photolyseelementen (10b, 10c und 10d) teilweise verbunden, an den Enden befestigt, etc., sein kann, um diese zu einer einzelnen Einheit zur Verwendung als ein Photolyseelement auszubilden. Ferner kann die Vielzahl von sekundären Photolyseelementen (10b, 10c und 10d) zum Beispiel in Form von Streifen mit Breiten von 10 μm bis 100 mm hergestellt sein. Weiterhin können zwei oder mehr, fünf oder mehr, 10 oder mehr oder 100 oder mehr Photolyseelemente (10b, 10c und 10d) zusammen gruppiert sein, um ein Photolyseelement zu bilden.
  • Weiterhin kann das Photolyseelement porös hergestellt sein. Infolge dessen können die „Durchgangsöffnungen” auch als untereinander verbundene Poren, die aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Poren bestehen, ausgebildet sein.
  • Zu beachten ist, dass das herkömmliche Photolyseelement (10e), wie in 8 gezeigt, als eine einzelne Einheit ausgebildet ist. Ferner weist es keine Durchgangsöffnungen auf, die die Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle ermöglichen.
  • Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung werden Wasser und optionales Elektrolyt in die Wasserstoff erzeugende Zelle und die Sauerstoff erzeugende Zelle gefüllt, dann wird Licht, insbesondere Sonnenlicht, auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahlt, um das Wasser zu spalten, und Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu erzeugen und Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu erzeugen.
  • Dabei ist als das optionale Elektrolyt, das geeignet ist, um zusammen mit Wasser in die Wasserstoff erzeugende Zelle und die Sauerstoff erzeugende Zelle eingebracht zu werden, vorzugsweise ein Elektrolyt zu nutzen, das widerstandsfähig dagegen ist, während der Spaltung von Wasser durch die erfindungsgemäße Wasser spaltende Vorrichtung abgebaut zu werden. Folglich kann als dieses Elektrolyt zum Beispiel Natriumhydroxid genutzt werden.
  • Für die spezielle Herstellung des in der erfindungsgemäßen Wasser spaltenden Vorrichtung genutzten Photolyseelements kann beispielsweise auf die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. JP 2001-213608 A verwiesen werden. Das heißt, dass dieses Photolyseelement ein Stapel mit einer als eine Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs zur Erzeugung von Sauerstoff dienenden Titanoxidschicht, einer als eine Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs zur Erzeugung von Wasserstoff dienenden Metall-Titanschicht und einer Platinschicht zwischen dieser Titanoxidschicht und dieser Metall-Titanschicht sein kann. Zu beachten ist, dass es auch möglich ist, die Titanoxidschicht Rutheniumoxidpartikel als einen Sauerstofferzeugungskatalysator tragen zu lassen, und/oder die Metall-Titanschicht Platinpartikel als einen Wasserstofferzeugungskatalysator tragen zu lassen.
  • Ferner kann dieses Photolyseelement zum Beispiel auch ein Stapel mit einer als eine Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs zur Erzeugung von Sauerstoff dienenden Titanoxidschicht, einer als eine Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs zur Erzeugung von Wasserstoff dienenden Titan-Oxynitridschicht und einer optionalen Platinschicht zwischen dieser Titanoxidschicht und dieser Titan-Oxynitridschicht sein.

Claims (5)

  1. Wasser spaltende Vorrichtung, mit einem Photolyseelement mit einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs und einer Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs an der der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs gegenüberliegenden Seitenoberfläche, das auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahltes Licht zum Spalten des Wassers nutzt, und um dadurch Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu erzeugen und Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu erzeugen, einer Wasserstoff erzeugende Zelle, die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des n-Typs hält und den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs erzeugten Wasserstoff sammelt, und einer Sauerstoff erzeugende Zelle, die die Wasser spaltende Elektrodenoberfläche des p-Typs hält, den an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs erzeugten Sauerstoff sammelt, und über das Photolyseelement an die Wasserstoff erzeugende Zelle angrenzt, wobei in dieser Wasser spaltenden Vorrichtung das Photolyseelement Durchgangsöffnungen aufweist, die eine Zirkulation von Wasser zwischen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle ermöglichen, und die Durchgangsöffnungen derart angeordnet sind, dass für die Spaltung von Wasser auf eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs oder des p-Typs gestrahltes Licht nicht zu der gegenüberliegenden Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche durchgelassen wird.
  2. Wasser spaltende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Durchgangsöffnungen in einer Richtung ausgebildet sind, die sich von der Einfallsrichtung des für die Spaltung von Wasser auf zumindest eine der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs gestrahlten Lichts unterscheidet.
  3. Wasser spaltende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Photolyseelement aus einer Gruppe einer Vielzahl von sekundären Photolyseelementen besteht, die zueinander versetzt gestapelt sind, wobei die Durchgangsöffnungen als Freiräume zwischen der Vielzahl von sekundären Photolyseelementen ausgebildet sind.
  4. Wasser spaltende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Photolyseelement porös ist und die Durchgangsöffnungen dadurch als untereinander verbundene Poren, die aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Poren bestehen, ausgebildet sind.
  5. Verfahren eines Erzeugens von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser unter Verwendung einer Wasser spaltenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Füllen der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle mit Wasser, einem Bestrahlen von zumindest einer der Wasser spaltenden Elektrodenoberflächen des n-Typs und des p-Typs mit Licht, und dadurch einem Spalten des Wassers in der Wasserstoff erzeugenden Zelle und der Sauerstoff erzeugenden Zelle, um Wasserstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des n-Typs zu erzeugen und Sauerstoff an der Wasser spaltenden Elektrodenoberfläche des p-Typs zu erzeugen.
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