The impact of surface modifications on the properties of α-SnWO4 photoanodes for photoelectrochemical water splitting

Zunehmende Luftverschmutzung und globale Erwärmung sind eine Herausforderung für das Leben der Menschheit im 21. Jahrhundert und darüber hinaus. Um die Auswirkungen auf die Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft abzumildern, ist ein Übergang in ein nachhaltiges Energiesystem unerlässlich. Wasserstoff ist ein sauberer und regenerierbarer Brennstoff, der das Potenzial hat ein entscheidender Bestandteil in einem zukünftigen Energiesystem zu werden. Ein potenziell kostengünstiger und ressourcenschonender Ansatz für die Wasserstoffproduktion ist die photoelektrochemische Spaltung von Wasser. In diesem Verfahren sind Halbleitermaterialien das Schlüsselelement, um Wasser mit der Hilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Um ökonomische Rentabilität zu erreichen, sollten diese Halbleitermaterialien idealerweise mit kostengünstigen Ausgangsstoffen hergestellt werden die auf der Erde ausreichend vorhanden sind. Diese Anforderungen können mit Metalloxid Photoelektroden erreicht werden. Obwohl mit großen Forschungsanstrengungen nach geeigneten Materialien gesucht wird, wurde ein idealer Photoabsorber bis jetzt nicht gefunden. Ein vielversprechendes Photoelektrodenmaterial ist α-SnWO4, welches vor kurzem mit gepulster Laserablation hergestellt wurde. Allerdings wurden die Faktoren, die die Leistungsfähigkeit von α-SnWO4 limitieren, bis jetzt noch nicht ausreichend verstanden. Verschiedene Herausforderungen von α-SnWO4 und α-SnWO4/NiOx Photoelektroden werden in dieser Arbeit behandelt. Im ersten Teil wird die Limitierung der Photospannung im Detail untersucht. Die photoelektrochemische Analyse der α-SnWO4 und α-SnWO4/NiOx Proben bestätigte die Limitierung der Photospannung, die mit der NiOx Schichtdicke zusammenhängt. Die Kombination von Synchrotron-basierter harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Dichtefunktionaltheorie Berechnungen und Monte-Carlo basierter Peak Intensitätssimulationen deutete auf die Entstehung einer dünnen Oxidschicht an der Grenzfläche von α-SnWO4 und NiOx hin. Diese Schicht kann nicht nur den Photostrom limitieren, sondern auch die Photospannung. Tatsächlich wurde mir der weiteren Analyse eine Beziehung zwischen der Oxidschichtdicke und der Photospannung gefunden. Der nächste Teil zielte auf ein noch genaueres Verständnis der zugrunde liegenden Ursache der Limitierung der Photospannung ab. Oberflächenphotospannungsmessungen an α-SnWO4 Schichten deuteten auf die Modifikation der Ladungstrennung und Relaxation hin, hervorgerufen durch die Abscheidung von NiOx. Die Grenzfläche zwischen α-SnWO4 und SnO2, welche die Eigenschaften der vorgeschlagenen Grenzflächenschicht repräsentiert, wurde ebenfalls mittels harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insgesamt zeigt die Kombination von Oberflächen-photospannungsmessungen und Photoelektronenspektroskopie, dass Intraband-Zustände existieren. Es wird vorgeschlagen, dass diese Zustände für die beobachteten Photospannungsverluste verantwortlich sind. Für die praktische Erzeugung von Wasserstoff ist die (photo)elektrochemische Stabilität eine entscheidende Anforderung an ein Photoelektroden Material. Die Stabilität von α-SnWO4 Schichten wurde detailliert in Abhängigkeit der photoelektrochemischen Bedingungen untersucht. Eine starke Abhängigkeit der Stabilität von den Messbedingungen wurde gefunden, durch eine Kombination von optischer Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Röntgenbeugung. Der experimentell beobachtete Stabilitätsbereich wird mit einem theoretischen Potential-pH (Pourbaix) Diagramm verglichen. Weitere Einblicke in die Stabilität wurden durch spektro(photo)elektrochemische Messungen gewonnen. Außerdem wird die Selbstpassivierung von α-SnWO4 Schichten in neutralen Elektrolyten demonstriert. Dieser Mechanismus verhindert die weitere Schichtauflösung durch die Bildung von passivierenden Oxidschichten auf der Oberfläche von α-SnWO4. Durch die Selbstpassivierung führt das Vorhandensein von Pinholes in der Schutzschicht nicht zur Korrosion der α-SnWO4 Photoelektrode. Insgesamt betrachtet stellt diese Arbeit wichtiges Verständnis von α-SnWO4 Photoelektroden bereit. Dieses Verständnis bildet die Basis für die weitere Entwicklung geeigneter Strategien, um die Leistungsfähigkeit von α-SnWO4 Photoelektroden weiter zu erhöhen.

Author dc:creator

• Schnell, Patrick

Advisor dc:contributor.advisor

• Krol, Roel van de

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

en

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12776

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/14003