Keinotekoisessa fotosynteesissä käytettävien sähkökemiallisesti kasvatettujen hematiittiohutkalvojen valoaktiivisuuden optimointi

Abstract

Solar water splitting is an energy production method, where sunlight is converted directly into chemical energy stored in the chemical bonds between hydrogen atoms. This can be done by semiconductor – electrolyte interface. Photons excite electrons across the band gap of the semiconductor. This produces electron – hole pairs that will induce the water splitting reactions.

One promising material for solar water splitting is hematite (α-Fe2O3). Hematite is a semiconductor material, which is inexpensive, abundant and has an appropriate band gap of 2.2 eV. In this thesis, hematite films were fabricated by electrodeposition. The effect of film thickness and different heat treatments on the photoactivity were studied.

Surface states trap charge carriers preventing them from inducing water oxidation. Passivation of the surface states was studied by depositing a 0.5 nm TiO2 film on top of the hematite by ALD. The effect of the TiO2 overlayer on the surface states was studied by measuring the surface state capacitance.

Film thickness of 60 nm produced highest photocurrent. Deposited films that were annealed at 750 ̊C or higher temperature produced photocurrent. TiO2 passivation reduced the capacitance caused by the surface states by 50 percent, but there was a slight decrease in the photocurrent.

Keinotekoinen fotosynteesi on energiantuotantomuoto, jossa auringonvalon energia muutetaan suoraan vetymolekyylien kemiallisiin sidoksiin varastoituneeksi energiaksi. Tämä voidaan toteuttaa puolijohdemateriaalin pinnalla elektrolyyttiolosuhteissa. Auringonvalon fotonit saavat puolijohdemateriaalissa aikaan elektronin virittymisen vyöaukon yli, minkä seurauksen puolijohdekalvoon syntyy elektroni – aukko-pareja. Elektroni – aukko-parit saavat aikaan vesimolekyylien pilkkoutumisen vedyksi ja hapeksi, jos niiden energia ylittää vesimolekyylin pilkkoutumisreaktion vapaaenergian muutoksen (1,23 eV) ja reaktion etenemiseen liittyvät potentiaalihäviöt.

Hematiitti (α-Fe2O3) on puolijohdemateriaali, joka sopii käytettäväksi keinotekoisessa fotosynteesissä oikean kokoisen vyöaukkonsa (2,2 eV), edullisuutensa, yleisyytensä sekä kemiallisen stabiiliutensa takia. Sähkökemiallisesti kasvatettu hematiitti on edullinen ratkaisu keinotekoiseen fotosynteesiin mutta sen tehokkuutta rajoittaa heikko absorptio ja varauksenkuljettajien rekombinaatio pintatiloissa.

Tässä työssä on valmistettu sähkökemiallisella kasvatuksella hematiittikalvoja sekä tutkittu ja optimoitu valmistusparametrien, kuten kalvon paksuuden ja lämpökäsittelyn, vaikutusta hematiittikalvojen tuottamaan valovirtaan. Lisäksi hematiitin ja elektrolyytin rajapinnalle syntyvien valovirtaa heikentävien pintatilojen passivointia on tutkittu käyttämällä atomikerroskasvatuksella valmistettua 0,5 nm paksua titaanidioksidikerrosta.

Paras valovirta saavutettiin käyttämällä sähkökemiallisessa kasvatuksessa 58 mC/cm2 sähkövarausta, mikä vastaa noin 60 nm:n kalvon paksuutta. Hematiittikalvot täytyi lämmittää 750 ̊C:een, jotta ne tuottivat valovirtaa. Lämmittäminen sai aikaan FeOOH:n kiteytymisen hematiitiksi. Lämpötilan nostaminen tätä korkeammalle ei kasvattanut saatavaa valovirtaa. Lämmitysaikoja kokeiltiin 32 tuntiin saakka. Lämmitysajan pidentäminen paransi valovirtaa. Hematiittikalvon passivointi titaanidioksidilla pienensi pintatilojen aiheuttamaa kapasitanssia puoleen alkuperäisestä, mutta heikensi kalvon tuottamaa valovirtaa hieman.