Fotoelektrokemijski razvoj vodika iz epitaksalnih heterostruktur silicij-oksid
Oznaka in naziv projekta
N2-0176 Fotoelektrokemijski razvoj vodika iz epitaksalnih heterostruktur silicij-oksid
N2-0176 Photoelektrochemical Hydrogen Evolution from Graphene Oxide Enabled Epitaxial Silicon-Oxide Heterostructures
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: izr. prof. dr. Matjaž Spreitzer
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Neposredno zbiranje sončne svetlobe nudi perspektivno pot za pretvorbo sončne energije v vodikovo gorivo, kar predstavlja čisto, trajnostno in okolju prijazno rešitev. Vodikovo gorivo predstavlja tudi učinkovito možnost shranjevanja odvečne energije ter istočasno zaobide problem prekinjajoče narave sončnega obsevanja. Trenutna učinkovitost pretvorbe sončne energije v vodik (STH) pa je nezadostna za praktične aplikacije, kar zahteva nove paradigme v raziskavah materialov. Foto-elektro-kemična (PEC) cepitev vode za tvorbo H2 iz heteroepitaksialne zaščitne oksidne plasti na polprevodniški platformi je predmet raziskav projekta H2EPI, ki predlaga radikalno nov pristop k povezovanju teh dveh različnih materialnih sistemov, da bi ustvarili atomsko definirane vmesne sloje. Koncept temelji na uporabi plasti grafenovega oksida (GO) v specifičnih heterosturkturah, da bi dosegli van der Waalsovi epitaksijo med sestavnimi deli, kakor tudi njihovo elektronsko sklopitev. Tako pripravljene heterostrukture se bo nadalje integriralo v (pol)-PEC reaktorje, pri katerih se bo z uporabo fotovoltaične celice dovajalo zunanjo napetost za doseganje dovolj visokega potenciala, potrebnega za relevanten STH. V skladu z globalnimi znanstvenimi, tehnološkimi in družbenimi izzivi se H2EPI osredotoča na naslednje cilje:
• Razumevanje ključnih parametrov za višjo STH učinkovitost,
• Rast atomsko definiranih epitaksialnih heterostruktur oksid-polprevodnik z uporabo plasti GO,
• Načrtovanje zamikov energijskih pasov izbranih heterostruktur,
• Načrtovanje (pol)-PEC reaktorjev z uporabo novih sistemov z učinkovitostjo, ki presega najsodobnejše STH.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
WP1: Znanstvena koordinacija, upravljanje in razširjanje
Naloga 1.1: Upravljanje: Izdelava letnega načrta in finančnega poročila.
Naloga 1.2: Znanstvena koordinacija: Prisotnost na spletu, znanstvena poročila.
Naloga 1.3: Razširjanje informacij: Znanstveni članki, aktivna udeležba na sestankih.
WP2: rast tankih plasti
Naloga 2.1: razvoj plasti grafenovega oksida (GO) kot podlaga, kontroliran nanos GO in optimizacija reduciranega grafenovega oksida (rGO): Ugotovljeno je bilo, da je pretvorba Go v rGO najbolj efektivna pri 750 °C, saj ni bilo zaznane formacije silicijevega karbida [1]. Poleg optimizacije temperature smo predhodno optimizirali tudi parametre za doseganje celotne pokritosti površine z rGO[2].
Naloga 2.2: integracija zaščitnih oksidnih plasti na GO, optimizacija GO za pripravo visoko kristaliničnih oksidnih plasti: Na pripravljene plasti v nalogi 2.1 smo nanesli zaščitno plast stroncijevega titanata (STO).
Naloga 2.3: integracija zaščitnih oksidnih plasti direktno na polprevodnik, priprava oksidnih plasti na polprevodniku: nanesli smo zaščitne oksidne plasti STO direktno na Si.
WP3: karakterizacija fizikalnih lastnosti
Naloga 3.1: makroskopska karakterizacija, analiza plasti z XRD, XRR, XPS. Določitev kristaliničnosti in urejenosti plasti: dokazali smo, da integracija reduciranega grafenovega oksida pri popolni pokritosti znatno prispeva k višji kristaliničnosti nanešenih oksidnih plasti [1], [2].
Naloga 3.2: lokalizirana karakterizacija: analiza plasti s STEM, AFM, Ramanovo spektroskopijo. Preučevanje mejne površine in defektov: S temi metodami je bilo ugotovljeno, da je z integracijo reduciranega grafenovega oksida (rGO) površina zaščitne oksidne plasti manj groba in manj luknjasta, pri čemer je morala z rGO biti prekrita celotna površina polprevodnika[1]. V primeru, da je šlo za delno pokritost z rGO, je bila površina oksidne plasti groba s prisotnimi otočki [2]. Iz TEM slik je bilo razvidno, da rGO ne odstrani silicijevega oksida z mejne površine [1].
WP4: karakterizacija elektrokemijskih lastnosti
Naloga 4.1: elektrokemijska karakterizacija; meritev in analiza elektrokemijskih lastnosti pripravljenih plasti, kot npr. aktivacijska energija in stabilnost: Najprej je bila teoretično ocenjena fotokatalitska sposobnost STO/Sr/Si, kjer je bila ta kombinacija materialov ocenjena za obetavno in uspešno sposobnost cepljenja vode[3]. Potem smo izmerili najboljši PEC odziv za vzorec s 3,9 nm debelo plastjo STO na Si, kjer je bila uporabljena tudi vmesna plast rGO. Ostali vzorci so prispevali manjši električni tok, ki je bil generiran s svetlobo, in tudi potenciali, pri katerih se je dosegel zadosti velik tok, so bili za ostale vzorce bolj negativni kot za 3,9 nm STO/rGO/Si[1].
Naloga 4.2: Načrtovanje semi-PEC naprave, semi-PEC naprava za pridobivanje vodika na podlagi razvitih oksidnih sistemov: pripravljene plasti, ki so bile tudi elektrokemijsko stestirane smo združili s PV modulom.
Bibliografske reference
[1] H. C. Ho et al., “Robust SrTiO3 Passivation of Silicon Photocathode by Reduced Graphene Oxide for Solar Water Splitting,” ACS Appl Mater Interfaces, vol. 15, no. 37, pp. 44482–44492, Sep. 2023, doi: 10.1021/acsami.3c07747. [COBISS.si-ID 164408835] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c07747
[2] Z. Jovanović et al., “Tiling the Silicon for Added Functionality: PLD Growth of Highly Crystalline STO and PZT on Graphene Oxide-Buffered Silicon Surface,” ACS Appl Mater Interfaces, vol. 15, no. 4, pp. 6058–6068, Feb. 2023, doi: 10.1021/acsami.2c17351. [COBISS.SI-ID: 137353475] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c17351
[3] W.-Y. Tong, E. Bousquet, M. Spreitzer, and P. Ghosez, “First-Principles Investigation of Interfacial Reconstruction in Epitaxial SrTiO 3 /Si Photocathodes,” The Journal of Physical Chemistry C, vol. 126, no. 44, pp. 18813–18821, Nov. 2022, doi: 10.1021/acs.jpcc.2c04361. [COBISS.SI-ID: 134005507] https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpcc.2c04361