Defect, Phase, and Interface Engineering of Titanium Dioxide Thin Films Grown by Atomic Layer Deposition for Solar Fuel Production
Saari, Jesse (2022)
Saari, Jesse
Tampere University
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2022-12-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2687-6
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2687-6
Tiivistelmä
Jatkuva energiantarpeen kasvu aiheuttaa vääjäämättä ongelmia, jotka ihmiskunnan on lähitulevaisuudessa ratkaistava. Kasvava väestö ja talous nostavat maailmanlaajuista energiankulutusta ja fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, kivihiilen ja maakaasun, käyttöä pidetään selityksenä ilmaston lämpenemiseen. Näin ollen valtava energiantarve pitäisi kattaa ympäristöä säästävillä ja hiilineutraaleilla energianlähteillä pienentäen fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan energiasektorin osuutta. Aurinkoenergia on yksi lupaavimmista ympäristöä säästävistä energiamuodoista. Auringonvalon vuorokautisen vaihtelun ja epäsäännöllisyyden aiheuttamien haasteiden takia aurinkoenergian varastointiteknologioiden kehitys on erittäin tärkeää. Valosähkökemiallisella kennolla aurinkoenergia voidaan varastoida kemialliseen muotoon aurinkopolttoaineiksi esimerkiksi hajottamalla vettä vedyksi ja hapeksi tai muodostamalla vedestä ja hiilidioksidista metanolia, metaania tai muita hiilivetyjä ja niiden johdannaisia. Merkittävästä edistyksestä huolimatta, sovelluksen tehokkuus ja vakaus eivät ole vielä riittävällä tasolla.
Tämä väitöskirja keskittyy atomikerroskasvatettujen TiO2-ohutkalvojen atomitason rakenteen, varauksenkuljettajien dynamiikan ja kiteytymisen ymmärtämiseen sekä TiO2-kalvon käyttöön suojaavana fotoelektrodipinnoitteena. Tulokset osoittavat, että amorfisen TiO2-ohutkalvon tiheyttä, lähtöainejäämiä ja oksidihilavirheitä voidaan hallita atomikerroskasvatuksen lämpötilan avulla (100–200 °C), kun käytetään tetrakis(dimetyyliamido)titaani- ja H2O-lähtöaineita. Matalampi kasvatuslämpötila (100 °C) johtaa lähtöainejäämiin ja pienempään tiheyteen hidastaen kiteytymistä (375 °C) ja stabiloiden anataasifaasin. Sen sijaan korkeampi kasvatuslämpötila (200 °C) johtaa oksidihilavirheisiin ja tiheämpään rakenteeseen parantaen sähköistä johtavuutta ja mahdollistaen kiteytymisen rutiiliksi poikkeuksellisen matalassa lämpötilassa (250 °C). Toiminnallisuustestien perusteella kiteytymisen aikaansaava jälkilämmitys on välttämätön kemiallisesti stabiilin TiO2-fotoelektrodipinnoitteen valmistamiseksi. Lisäksi matalampi kiteytymislämpötila Si-fotoelektrodeilla mahdollistaa paremman SiO2-rajapintakerroksen ja valovirran kynnysjännitteen. Väitöskirjassa esitetyt tulokset atomikerroskasvatettuihin TiO2-ohutkalvoihin liittyen edistävät taloudellisesti kannattavan TiO2-pinnoitteita hyödyntävän aurinkopolttoainereaktorin kehitystyötä.
Tämä väitöskirja keskittyy atomikerroskasvatettujen TiO2-ohutkalvojen atomitason rakenteen, varauksenkuljettajien dynamiikan ja kiteytymisen ymmärtämiseen sekä TiO2-kalvon käyttöön suojaavana fotoelektrodipinnoitteena. Tulokset osoittavat, että amorfisen TiO2-ohutkalvon tiheyttä, lähtöainejäämiä ja oksidihilavirheitä voidaan hallita atomikerroskasvatuksen lämpötilan avulla (100–200 °C), kun käytetään tetrakis(dimetyyliamido)titaani- ja H2O-lähtöaineita. Matalampi kasvatuslämpötila (100 °C) johtaa lähtöainejäämiin ja pienempään tiheyteen hidastaen kiteytymistä (375 °C) ja stabiloiden anataasifaasin. Sen sijaan korkeampi kasvatuslämpötila (200 °C) johtaa oksidihilavirheisiin ja tiheämpään rakenteeseen parantaen sähköistä johtavuutta ja mahdollistaen kiteytymisen rutiiliksi poikkeuksellisen matalassa lämpötilassa (250 °C). Toiminnallisuustestien perusteella kiteytymisen aikaansaava jälkilämmitys on välttämätön kemiallisesti stabiilin TiO2-fotoelektrodipinnoitteen valmistamiseksi. Lisäksi matalampi kiteytymislämpötila Si-fotoelektrodeilla mahdollistaa paremman SiO2-rajapintakerroksen ja valovirran kynnysjännitteen. Väitöskirjassa esitetyt tulokset atomikerroskasvatettuihin TiO2-ohutkalvoihin liittyen edistävät taloudellisesti kannattavan TiO2-pinnoitteita hyödyntävän aurinkopolttoainereaktorin kehitystyötä.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4943]