Photoelektrosynthese von Wasserstoff mit Silizium-Dünnschicht-Tandemsolarzellen

In dieser Arbeit werden Photoelektroden auf Basis von Tandemsolarzellen aus Dünnschichtsilizium für die Wasserspaltung untersucht. Die Photoelektroden werden als photoaktive Kathoden für die Wasserstoffentwicklungsreaktion in einer photoelektrochemischen Zelle eingesetzt. Die Solarzellen bestehen aus zwei p-i-n-Dioden aus amorphen und mikrokristallinen Silizium in Superstrat-Geomerty. Der Rückkontakt dieser Zellen ist in Kontakt zum Elektrolyt und fungiert als Schutzschicht, um die Korrosion der Halbleiterstruktur durch den Elektrolyten zu verhindern. Als Rückkontakt werden metallisches Silber und oxdische Schutzschichten aus Titan-, Nickel-, Zinnoxid untersucht. Zur Herabsetzung von Überspannungsverlusten während der Wasserstoffentwicklung werden Katalysatoren aufgebracht. Zur Aufklärung der chemischen und elektronischen Eigenschaften der Grenzflächen wird Photoelektronenspektroskopie eingesetzt. Die Charakterisierung der Photoelektroden erfolgt über verschiedene elektrochemische Methoden. Die Photoelektroden (a-Si:H/a-Si:H) mit einer RuO2-Gegenelektrode ermöglichen die Spaltung von Wasser ohne eine externe Stromquelle. Unter simuliertem Sonnenlicht wird unter Kurzschlussbedingungen eine Licht-zu-Wasserstoff-Effizienz von 5,5 % erreicht. Durch Aufbringung einer Schutzschicht aus Titanoxid kann die Stabilität der Photoelektroden deutlich gesteigert werden. Allerdings ist eine Reduzierung in der Photospannung zu beobachten, die durch Ausbildung einer Siliziumoxid-Grenzschicht hervorgerufen wird. Durch Anpassung der Abscheidebedingungen lässt sich dieser Verlust jedoch minimieren. Photoelektroden mit Nickeloxid sind ebenfalls stabil und zeigen auch ohne Edelmetall-Katalysator eine hohe Effizienz. Die Optimierung wird in dieser Arbeit durch die systematische Aufklärung der an der Photoelektrode beteiligten Grenzflächen ermöglicht und es wird ein grundlegendes Verständnis der Charakteristik einer Photoelektroden entwickelt.

In this thesis, photoelectrodes on the basis of thin film silicon tandem solar cell are studied for their water splitting capability. They are employed as photoactive cathodes for the hydrogen evolution in the photoelectrochemical device. The solar cells consist of two p-i-n diodes made of amorphous and microcrystalline silicon arranged in superstrat geometry. The back contact of the cells is in contact to the electrolyte and serves as a protection layer for the semiconductor against corrosion. Besides the metallic silver layer, protection layers made from titanium, nickel and stannic oxide are investigated. Catalysts are deposited to reduce the overpotential for the hydrogen evolution reaction. Photoelectron spectroscopy is employed to examine the chemical and electronic properties of the interfaces. The characterization of the photoelectrodes is perfromed via various electrochemical methods. The photoelectrodes (a-Si:H/a-Si:H) in connection to a RuO2 counter electrode enable the splitting a water without an auxiliary power source. At short circuit conditions a light-to-hydrogen efficiency of 5.5 % is achieved under simulated sun light. The application of titanium oxide as a protection layer increases the stability of the electrodes considerably. However, these photoelectrodes exhibit a reduced photovoltage due to the formation of a silicon oxide interface. This loss can be minimized by an further optimization of the deposition parameters. Additionally, photoelectrodes with a nickel oxide layer are stable and show a high performance even without a noble metal catalyst. The optimization accomplished in this thesis is achieved by a systematic investigation of the interfaces of the photoelectrodes. As a result, a deep understanding of the parameters influencing the photoelectrode's characteristic is developed.