Spectroscopic and electrochemical study of TiO₂/Si photocathode

Spektroskopische und elektrochemische Untersuchungen an TiO₂/Si-Photokathoden

  • This thesis focuses on the deposition of thin TiO₂ films on p-type Si using atomic layer deposition (ALD) technique, on the study of the electronic proprieties of the grown films and on the electrochemical characterization of TiO₂/Si photoelectrodes. The deposition parameters, electronic properties and electrochemical performance and stability of the TiO₂/Si samples are correlated. The ALD technique is used to deposit TiO₂ with two different precursors namely Titanium isopropoxide and Titanium methoxide onto Si substrates. Laboratory as well as synchrotron based X-ray spectroscopy techniques are used to characterize these films. The growth quality of the TiO₂ ALD films is determined by analyzing X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) data in terms of stoichiometry, defect states and Ti³⁺:Ti⁴⁺ ratios. The ALD technique was modified with different heating arrangements to obtain various polymorphs of TiO₂. The ALD and anatase TiO₂ films are characterized using synchrotron radiation to study their electronic properties and these filmsThis thesis focuses on the deposition of thin TiO₂ films on p-type Si using atomic layer deposition (ALD) technique, on the study of the electronic proprieties of the grown films and on the electrochemical characterization of TiO₂/Si photoelectrodes. The deposition parameters, electronic properties and electrochemical performance and stability of the TiO₂/Si samples are correlated. The ALD technique is used to deposit TiO₂ with two different precursors namely Titanium isopropoxide and Titanium methoxide onto Si substrates. Laboratory as well as synchrotron based X-ray spectroscopy techniques are used to characterize these films. The growth quality of the TiO₂ ALD films is determined by analyzing X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) data in terms of stoichiometry, defect states and Ti³⁺:Ti⁴⁺ ratios. The ALD technique was modified with different heating arrangements to obtain various polymorphs of TiO₂. The ALD and anatase TiO₂ films are characterized using synchrotron radiation to study their electronic properties and these films are compared with single crystal rutile TiO₂. X-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant photoelectron spectroscopy (res-PES) measurements are performed with synchrotron radiation. XAS measurements are used to determine the polymorphs as well as the electronic structure of TiO₂ Res-PES measurements are conducted at the O1s and Ti2p edges to study multiple hole Auger decay processes and polaronic and charge transfer states as well as to determine the electronic band gap of the TiO₂ layers. One of the main findings of this thesis is the determination of the partial density of states (pDOS) of O and Ti in the conduction and valence band. The combination of the pDOS and the band edge positions obtained from res-PES measurements are used to calculate the charge neutrality level of the TiO₂ polymorphs. The photoelectrochemical measurements are conducted on bare-Si and TiO₂/Si photoelectrodes. The electrochemical performance of these photoelectrodes is studied in electrolytes having pH values ranging from 1 to 13. The deposition of TiO₂ on Si enhances the photoelectrochemical performance of the Si photoelectrode. The TiO₂ increases the stability of the photoelectrode in all electrochemical media over 12 hours of experimental condition. Moreover, it is also observed that the TiO₂/Si photoelectrode is less responsive to the pH value of the electrolyte. The electrochemical findings are explained on the basis of the electronic properties of the TiO₂ layer. The electronic band gap obtained from spectroscopic measurement and the photoelectrochemical measurements are used to explain the performance and stability of the TiO₂/Si photoelectrodes. The thesis also addresses the stability of Si microstructured photoelectrodes (SiMPs) prepared by an electrochemical method. The stability of the SiMPs deteriorates more rapidly than that one of the planar Si photoelectrode. However, using a protective ALD TiO₂ layer on these SiMPs the overall performance is even more enhanced than on the TiO₂/planar Si system.show moreshow less
  • Diese Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Atomlagenabscheidung (ALD) dünner TiO₂-Schichten auf p-Typ Silizium, untersucht die elektronischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und beschreibt die elektrochemische Charakterisierung von TiO₂/Si-Photoelektroden. Die Abscheidungsparameter, die elektronischen Eigenschaften und die Stabilität der TiO₂/Si-Proben werden miteinander korreliert. Mittels der ALD-Technik wurden TiO₂-Schichten mit zwei verschiedenen Prekursoren (Titan- Isopropoxid und Titan-Methoxid) auf Si-Substraten abgeschieden. Labor- und Synchrotron basierte Röntgen-Spektroskopietechniken wurden benutzt, um die abgeschiedenen Schichten zu charakterisieren. Die Qualität der Schichten wurde dabei mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) beurteilt, wobei die Stöchiometrie, das Ti³⁺/Ti⁴⁺-Verhältnis sowie Defektzustände in den TiO₂-Filmen Kriterien darstellten. Um verschiedene Polymorphe von TiO₂ zu erhalten, wurde die Heizmethode der Schichten innerhalb der ALD-Prozedur variiert. Die elektronischenDiese Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Atomlagenabscheidung (ALD) dünner TiO₂-Schichten auf p-Typ Silizium, untersucht die elektronischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und beschreibt die elektrochemische Charakterisierung von TiO₂/Si-Photoelektroden. Die Abscheidungsparameter, die elektronischen Eigenschaften und die Stabilität der TiO₂/Si-Proben werden miteinander korreliert. Mittels der ALD-Technik wurden TiO₂-Schichten mit zwei verschiedenen Prekursoren (Titan- Isopropoxid und Titan-Methoxid) auf Si-Substraten abgeschieden. Labor- und Synchrotron basierte Röntgen-Spektroskopietechniken wurden benutzt, um die abgeschiedenen Schichten zu charakterisieren. Die Qualität der Schichten wurde dabei mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) beurteilt, wobei die Stöchiometrie, das Ti³⁺/Ti⁴⁺-Verhältnis sowie Defektzustände in den TiO₂-Filmen Kriterien darstellten. Um verschiedene Polymorphe von TiO₂ zu erhalten, wurde die Heizmethode der Schichten innerhalb der ALD-Prozedur variiert. Die elektronischen Eigenschaften amorpher und Anatas-TiO₂-Schichten wurden mittels Synchrotronstrahlung bestimmt und mit denen eines TiO₂-Rutil-Einkristalls verglichen. Röntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und resonante Photoelektronenspektroskopie (res-PES) wurden mit Synchrotronstrahlung durchgeführt. Dabei diente die XAS der Bestimmung der Art des Polymorphen und der elektronischen Struktur der TiO₂-Schichten. Res-PES-Messungen wurden an den O1s- und Ti2p- Kanten durchgeführt, um Auger-Prozesse mit multiplen Loch-Endzuständen sowie polaronische und Ladungstransferzustände zu untersuchen und um die elektronische Bandlücke der TiO₂-Schichten zu bestimmen. Eines der Hauptergebnisse dieser Arbeit stellt die Bestimmung der partiellen Zustandsdichten (pDOS) von Sauerstoff und Titan im Valenz- und Leitungsband dar. In der Analyse der res-PES-Daten wurde die pDOS mit den entsprechenden Bandkantenpositionen kombiniert, um die energetische Lage der Ladungsneutralitätsniveaus (‚Charge neutrality levels‘) der verschiedenen TiO₂-Polymorphe zu ermitteln. Photoelektrochemische Messungen wurden an unbeschichteten und TiO₂-beschichteten Si- Photoelektroden durchgeführt. Dabei wurde die elektrochemische Performance der Photoelektroden in verschiedenen Elektrolytmedien mit pH-Werten zwischen 1 und 13 untersucht. Die Beschichtung der Si- Oberfläche mit einer dünnen TiO₂-Schicht verbesserte die Performance der Si-Photoelektrode, wobei die Stabilität der Elektrode in allen untersuchten Elektrolytmedien während der gesamten Messdauer von 12 Stunden erhöht wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass die TiO₂/Si-Photoelektrode weniger empfindlich auf Änderungen des pH-Wertes reagiert. Die elektrochemischen Ergebnisse werden auf Basis der elektronischen Eigenschaften der TiO₂-Schichten diskutiert. Die durch die spektroskopischen Messungen bestimmte elektronische Bandlücke sowie die photoelektrochemischen Charakterisierungen werden zur Erklärung der Performance und Stabilität der TiO₂/Si-Photoelektroden herangezogen. Die Arbeit adressiert außerdem die Stabilität von mikrostrukturierten Photoelektroden (SiMP), die elektrochemisch präpariert wurden. Zunächst verschlechterte sich die Stabilität der SiMP schneller als bei der planaren Si-Photoelektrode. Jedoch führte die Nutzung einer TiO₂-ALD-Schutzschicht auf der SiMP zu einer besseren Gesamtperformance der SiMP auch im Vergleich zum System TiO₂/ planares Si.show moreshow less

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Metadaten
Author: Chittaranjan Das
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36924
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/05/04
Release Date:2016/04/04
Tag:Atomlagenabscheidung; Photokathode; Röntgenabsorptionsspektroskopie; Röntgenphotoelektronenspektroskopie
ALD; Photocathodes; TiO2; XAS; XPS
GND Keyword:Atomlagenabscheidung; Photokathode; Röntgenabsorptionsspektroskopie; Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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