Characterization of Inorganic Semiconductors for Solar Energy Conversion and their Stability in Aqueous Media

Charakterisierung von anorganischen Halbleitern für die Solarenergieumwandlung und ihre Stabilität in wässrigen Medien

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74123
  • Gallium nitride (GaN) is a well-established semiconductor in opto-electronic applications. It has a wide band gap of 3.4 eV and is thus excitable in the near-UV range. A promising application of GaN is its use as a photoelectrode driving photocatalytic reactions such as water splitting for generation of H2 without consumption of fossil fuel or emission of CO2. For such applications the corrosion resistance of the photoelectrodes in aqueous media is one of the main factors determining their lifetimes and thus plays an important role for their applicability for highly efficient solar energy conversion. It has been demonstrated in photocatalytic experiments that under UV-illumination n-type GaNGallium nitride (GaN) is a well-established semiconductor in opto-electronic applications. It has a wide band gap of 3.4 eV and is thus excitable in the near-UV range. A promising application of GaN is its use as a photoelectrode driving photocatalytic reactions such as water splitting for generation of H2 without consumption of fossil fuel or emission of CO2. For such applications the corrosion resistance of the photoelectrodes in aqueous media is one of the main factors determining their lifetimes and thus plays an important role for their applicability for highly efficient solar energy conversion. It has been demonstrated in photocatalytic experiments that under UV-illumination n-type GaN acts as oxygen-evolving photoanode and p-type GaN as hydrogen-evolving photocathode. In the present work, the degradation of GaN under various conditions is investigated. Specifically, the corrosion resistance of pure and metal-coated GaN photoelectrodes in aqueous media is studied by electrochemical measurements. Furthermore, the influence of an externally applied potential under light excitation as well as the effect of long-term photoinduced stress are investigated. It is observed that without illumination the GaN surfaces and GaN-metal interfaces are rather stable for a broad potential range, whereas they undergo degradation when exposed to UV light. Parallel to the III-V semiconductor GaN, semiconducting magnesium silicide (Mg2Si) presents an alternative material type which is not as well characterized as GaN in its use as photoelectrode. It is a promising candidate for low-cost and efficient absorber layers for solar energy conversion. Its main application so far is as a high-performance thermoelectric material. Little is known, however, about its applicability as a photo-active material. Semiconducting Mg2Si is the only stable phase in the Mg2Si system. It has a narrow indirect band gap of 0.78 eV. Its high absorption coefficient furthermore makes it an interesting material for the production of thin solar cells. In the present work, Mg2Si thin films were produced by thermal evaporation of Mg on Si substrates and by sputtering from a Mg2Si sputter target on silicon wafers or glass substrates with subsequent annealing. This results in the formation of smooth Mg2Si layers, which can be adjusted in thickness by varying the annealing temperature, time as well as the amount of deposited magnesium. The Mg2Si films are characterized in terms of morphological, electrical and optical properties. Furthermore, measurements on the photo-activity of Mg2Si as well as its stability in aqueous media are discussed.show moreshow less
  • Galliumnitrid (GaN) ist ein etablierter Halbleiter in optoelektronischen Anwendungen. Mit einer Bandlücke von 3.4 eV ist es im nahen UV Bereich anregbar. Eine vielversprechende Anwendung von GaN ist seine Verwendung als Photoelektrode um photokatalytische Reaktionen, wie zum Beispiel Wasserspaltung zur H2 Erzeugung, zu ermöglichen, ohne fossile Brennstoffe zu verbrauchen oder CO2 auszustoßen. In solchen Anwendungen ist die Korrosionsbeständigkeit der Photoelektroden in wässrigen Medien einer der Hauptfaktoren, der ihre Lebensdauer bestimmt und daher eine wichtige Rolle für ihre Anwendbarkeit in hoch effizient arbeitenden Solarenergieumwandlungen spielt. In photokatalytischen ExperimentenGalliumnitrid (GaN) ist ein etablierter Halbleiter in optoelektronischen Anwendungen. Mit einer Bandlücke von 3.4 eV ist es im nahen UV Bereich anregbar. Eine vielversprechende Anwendung von GaN ist seine Verwendung als Photoelektrode um photokatalytische Reaktionen, wie zum Beispiel Wasserspaltung zur H2 Erzeugung, zu ermöglichen, ohne fossile Brennstoffe zu verbrauchen oder CO2 auszustoßen. In solchen Anwendungen ist die Korrosionsbeständigkeit der Photoelektroden in wässrigen Medien einer der Hauptfaktoren, der ihre Lebensdauer bestimmt und daher eine wichtige Rolle für ihre Anwendbarkeit in hoch effizient arbeitenden Solarenergieumwandlungen spielt. In photokatalytischen Experimenten wurde gezeigt, dass n-GaN unter UV Beleuchtung als sauerstoffentwickelnde Photoanode und p-GaN als wasserstoffentwickelnde Photokathode fungieren. In der vorliegenden Arbeit wird die Degradation von GaN unter verschiedenen Einflüssen untersucht. In elektrochemischen Messungen wird die Korrosionsbeständigkeit von reinen GaN Photoelektroden sowie von metallbeschichteten GaN Photoelektroden in wässrigen Medien gemessen. Weiterhin werden der Einfluss eines extern angelegten Potentials unter Lichtanregung sowie der Effekt von langzeit-photo-induziertem Stress untersucht. Es wurde festgestellt, dass die GaN Oberflächen ohne Beleuchtung sowohl mit als auch ohne Metallbeschichtung in einem weiten Potentialbereich eher stabil bleiben, wohingegen sie unter UV Licht degradieren. Parallel zum III-V Halbleiter GaN stellt halbleitendes Magnesiumsilizid (Mg2Si) einen alternativen Materialtyp dar, welcher bezüglich seiner Verwendbarkeit als Photoelektrode nicht so gut charakterisiert ist wie GaN. Es ist ein vielversprechender Kandidat für preiswerte und effiziente Absorberschichten für die Solarenergieumwandlung. Seine bisherige Hauptverwendung findet es als hochleistungs-thermoelektrisches Material. Allerdings ist wenig bekannt über seine Eignung als photo-aktives Material. Halbleitendes Mg2Si ist die einzig stabile Phase im Mg2Si System. Es hat eine niedrige indirekte Bandlücke von 0.78 eV. Sein hoher Absorptionskoeffizient macht es weiterhin zu einem interessanten Material für die Herstellung von dünnen Solarzellen. In der vorliegenden Arbeit werden Mg2Si Dünnschichten durch thermisches Verdampfen von Mg auf Si Substraten sowie durch Sputtern von einem Mg2Si Target auf Siliziumwafer oder Glassubstrate mit anschließender Temperung hergestellt. Dies resultiert in der Bildung von glatten Mg2Si Schichten, deren Dicke durch die Temper-Temperatur sowie die Menge des aufgebrachten Magnesiums variiert werden kann. Die Mg2Si Filme werden hinsichtlich ihrer morphologischen, elektrischen und optischen Eigenschaften charakterisiert. Außerdem werden Messungen bezüglich der Photoaktivität von Mg2Si sowie dessen Stabilität in wässrigen Medien diskutiert.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Carina Ehrig
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74123
ISBN:978-3-944057-76-7
Series (Volume number):FAU Studien Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (9)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Christoph J. Brabec, Vladimir Dyakonov
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Embargo Date:2016/08/25
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2015/11/26
Release Date:2016/08/31
Tag:Photoaktivität; Photoelektrode; Solarenergie; Sonnenenergie; Umwandlung
GaN; Mg2Si; corrosion rate determination; inorganic semiconductors; photo-electrochemistry; photoelectrode; semiconductor degradation; solar energy conversion
SWD-Keyword:Galliumnitrid; Magnesiumsilicid; Fotoelektrochemie; Korrosionsbeständigkeit; Licht
Pagenumber:x, 236 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-944057-75-0
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0