Atomikerroskasvatusmenetelmällä kasvatetun titaanidioksidikalvon ominaisuudet valosähkökemiallisessa veden hajottamisessa
Saari, Jesse (2017)
2017
Teknis-luonnontieteellinen
Teknis-luonnontieteellinen tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2017-10-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201709201911
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201709201911
Tiivistelmä
Valosähkökemiallinen veden hajottaminen on yksi potentiaalisista keinosta hyödyntää auringonvalon energiaa. Menetelmän sekä uusiutuvan energiantuotannon kannalta tärkeä tutkimuksen kohde on tehokkaan ja taloudellisesti kannattavan puolijohdefotoanodin kehittäminen. Tässä diplomityössä tutkitaan atomikerroskasvatusmenetelmällä (ALD) kasvatetun jälkikäsittelemättömän ja hapettavissa olosuhteissa lämmityskäsitellyn titaanidioksidikalvon (TiO2) ominaisuuksia, kuten kemiallista koostumusta, kiderakennetta ja kykyä absorboida auringonvaloa. Tuntemalla tarkasti atomikerroskasvatetun titaanidioksidin ominaisuudet sekä jälkikäsittelynä ilmassa tehdyn lämmityksen vaikutukset voidaan titaanidioksidia hyödyntää paremmin valosähkökemiallisessa veden hajottamisessa käytetyissä puolijohdefotoanodeissa.
Työssä tutkitut titaanidioksidikalvot kasvatettiin substraatteina käytettyjen n-tyypin fosforidoupatun piin (n-Si(100)(P)) ja kvartsilasin päälle atomikerroskasvatuksella 200 ◦C:ssa käyttäen prekursoreina tetradimetyyliaminotitaania (TDMAT) ja deionisoitua vettä. Osalle näytteistä suoritettu lämmityskäsittely 500 ◦C:ssa tehtiin ilmassa putkiuunissa. Atomikerroskasvatetun titaanidioksidikalvon alkuaineiden ja kemiallisten tilojen konsentraatioita tutkittiin röntgenviritteisellä fotoelektronispektroskopialla (XPS). Kalvonpaksuus ja taitekerroin määritettiin ellipsometrin avulla ja UV/Vis/NIR-spektrofotometrilla mitattiin titaanidioksidikalvon absorptio-ominaisuuksia. Lisäksi työssä hyödynnettiin röntgendiffraktiolla (XRD) ja Raman-spektroskopialla saatuja kiderakennetuloksia sekä valosähkökemiallisella kennolla ja aurinkosimulaattorilla mitattuja tuloksia titaanidioksidifotoanodin suorituskyvystä.
Tulosten perusteella 200◦C:ssa atomikerroskasvatettu titaanidioksidi on rakenteeltaan amorfista ja absorboi hyvin näkyvää valoa eli on väriltään ”mustaa”. 500 ◦C:ssa tehdyssä hapetuksessa titaanidioksidi kiteytyy rutiiliksi ja muuttuu ”valkoiseksi” eli huonommin näkyvää valoa absorboivaksi. Molemmat titaanidioksidikalvot sisältävät happivakansseihin viittaavia titaanin matalampia Ti3+/2+-hapetusasteita, mutta typpeä löytyy vain jälkikäsittelemättömästä titaanidioksidista. Valosähkökemialliselta suorituskyvyltään lämpökäsitelty titaanidioksidi on stabiili elektrolyyttinesteessä saavuttaen 0,20 %:n ABPE-tehokkuuden veden hajottamisreaktiolle.
Työssä tutkitut titaanidioksidikalvot kasvatettiin substraatteina käytettyjen n-tyypin fosforidoupatun piin (n-Si(100)(P)) ja kvartsilasin päälle atomikerroskasvatuksella 200 ◦C:ssa käyttäen prekursoreina tetradimetyyliaminotitaania (TDMAT) ja deionisoitua vettä. Osalle näytteistä suoritettu lämmityskäsittely 500 ◦C:ssa tehtiin ilmassa putkiuunissa. Atomikerroskasvatetun titaanidioksidikalvon alkuaineiden ja kemiallisten tilojen konsentraatioita tutkittiin röntgenviritteisellä fotoelektronispektroskopialla (XPS). Kalvonpaksuus ja taitekerroin määritettiin ellipsometrin avulla ja UV/Vis/NIR-spektrofotometrilla mitattiin titaanidioksidikalvon absorptio-ominaisuuksia. Lisäksi työssä hyödynnettiin röntgendiffraktiolla (XRD) ja Raman-spektroskopialla saatuja kiderakennetuloksia sekä valosähkökemiallisella kennolla ja aurinkosimulaattorilla mitattuja tuloksia titaanidioksidifotoanodin suorituskyvystä.
Tulosten perusteella 200◦C:ssa atomikerroskasvatettu titaanidioksidi on rakenteeltaan amorfista ja absorboi hyvin näkyvää valoa eli on väriltään ”mustaa”. 500 ◦C:ssa tehdyssä hapetuksessa titaanidioksidi kiteytyy rutiiliksi ja muuttuu ”valkoiseksi” eli huonommin näkyvää valoa absorboivaksi. Molemmat titaanidioksidikalvot sisältävät happivakansseihin viittaavia titaanin matalampia Ti3+/2+-hapetusasteita, mutta typpeä löytyy vain jälkikäsittelemättömästä titaanidioksidista. Valosähkökemialliselta suorituskyvyltään lämpökäsitelty titaanidioksidi on stabiili elektrolyyttinesteessä saavuttaen 0,20 %:n ABPE-tehokkuuden veden hajottamisreaktiolle.