Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/8869
Title: Untersuchung von regelmäßigen Nanostrukturen für die solare Wasserspaltung
Other Titles: Studies of regular nanostructures for solar water splitting
Authors: Kriegel, Herman
Affiliation: Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Language: en
Keywords: Elektrolyse;Wasserstoff;Photokatalyse;Halbleiter;Titandioxid;Silizium;Nanofabrikation;Simulation;Periodische Strukturen;Photoelektroden;Korrosion
Issue Date: Jun-2020
Publisher: Universitätsbibliothek der HSU/UniBwH
Document Type: Thesis
Project: FocusH2 
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
Abstract:
In pursuit of a sustainable energy economy, solar hydrogen generation via direct electrolysis using sunlight is a promising approach towards ecologically friendly fuels. However, photodriven water splitting faces numerous challenges that have to be overcome towards the development of stable and efficient systems, from the designing of new materials, to optimizing of light harvesting and integrating protection schemes for long-term viability. In this pursuit, TiO2 can serve in either of two roles: as a high band-gap absorber or as a protective coating for efficient semiconductors.

In this work, the system of highly doped Silicon coated with atomic layer deposited TiO2 was studied with regard to deposition parameters, photoelectrochemical properties and the corrosion process. Amorphous films suffered from significant degradation under illumination in dilute sulphuric acid, which was found to be a two-fold process, chemical etching and a UV-photon induced photocorrosion.

Stable and mostly crystalline anatase thin films were coated on precisely and (sub-)micro structured electrodes, based on lithography and plasma etching methods for Silicon, to increase active surface area, increase light absorption and reduce reflective losses. The correlation between structural shape and dimensions was evaluated in regard of beneficial and detrimental factors and an the impact of the conductive substrate became apparent.

Optical simulation served to study the influence of electrode surface structuring on light management and is proposed as an invaluable tool for smart design of efficient, structured photoelectrodes.

Kurzfassung:
Um ein nachhaltiges System erneuerbarer Energie und Kraftstoffe zu entwickeln, kann solare Wasserspaltung einen wichtigen Beitrag liefern, Sonnenlicht zur Generierung von Wasserstoff zu nutzen. Um diesen Ansatz zu verwirklichen, gilt es noch eine Reihe von Hürden zu überwinden, um effiziente und langfristig stabile Materialsysteme zu realisieren. Titandioxid (TiO2) kann in der Idee eine von zwei Rollen einnehmen, als Absorber für Photonen im UV-Bereich, oder als Schutzschicht für effektive aber instabile Absorber.

In dieser Arbeit wurden TiO2-Schichten auf hochdotiertem, leitfähigem Silizium untersucht, die mittels Atomlagenabscheidung (ALD) fabriziert wurden. Die Korrelation zwischen Abscheidungs-bedingungen, Photonenausbeute und Stabilität wurde evaluiert, wobei die Degradation amorpher Schichten auf zwei Teilprozesse zurückgeführt werden konnte, chemisches Ätzen und Photokorrosion unter UV-Belichtung.

Stabile, kristalline Schichten wurden auf präzise strukturierten Siliziumelektroden abgeschieden, welche durch Lithographie und Plasmaätzen bestimmt wurden und bessere Photonenausbeute und höhere aktive Oberfläche versprechen. Die Zusammenhänge zwischen den Formen und Größen dieser Strukturen und optischen wie elektrochemischen Eigenschaften wurde untersucht und vor- wie nachteilhafte Aspekte identifiziert. Des Weiteren konnte ein Einfluss des entarteten leitfähigen Trägers festgestellt werden.

Optische Simulationen ermöglichten außerdem die Untersuchung des Einflusses von Struktureigenschaften auf die Reflektion und Absorption und können der Vorhersage optimierter Strukturen dienen, um optimale Lichtausbeute zu erzielen.
Organization Units (connected with the publication): Fakultät für Maschinenbau 
DOI: https://doi.org/10.24405/8869
Advisor: Klassen, Thomas  
Referee: Sharp, Ian
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2020-07-03
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