Studium elektrických a elektrochemických vlastností tenkovrstvých materiálů pro rozklad vody

Jan VOSEJPKA

Bakalářská práce

Anotace:

Tato bakalářská práce se zabývá fotoelektrochemickým rozkladem vody a produkcí vodíku. Nejprve rozebírá fotokatalytický rozklad látek se zaměřením na vodu, včetně podmínek pro průběh chemických reakcí. Následně se zevrubně věnuje fotoelektrochemickému rozkladu vody jako kompromisu mezi fotokatalytickým a elektrolytickým procesem. Popsány jsou funkce potenciostatu včetně úloh pracovní a protielektrody a referenční elektrody, která má důležitou úlohu nejen při měření, ale i při diskuzi výsledků. Dále jsou uvedeny procesy ve fotoelektrochemické komoře při štěpení vody a nároky, které jsou kladeny na pracovní polovodičovou elektrodu, která je fotoaktivní a generuje volné nosiče náboje schopné redoxních dějů. Následuje metodika fotoelektrochemických experimentů a jejich vyhodnocení včetně výpočtů účinností. Získané teoretické poznatky jsou následně aplikovány při zkoumání fotoelektrochemických vlastností tenké vrstvy Cu-W-O, která byla připravena reaktivní magnetronovou depozicí. Elipsometrickým měřením byla určena šířka zakázaného pásu, extinkční koeficient a absorpce vrstvy. Základní fotoelektrochemické vlastnosti vrstvy jako je polarita polovodiče, míra rekombinace a fotoaktivní zóna s malými temnostními proudy byly měřeny při osvitu intenzivní ultrafialovou lampou ( = 370 nm, P = 3,9 mW/2). Pokročilejší spektroskopická měření proběhla s využitím světelného zdroje J. A. Woollam HS-190. Změřeny byly fotoproudy pro vybrané vlnové délky a spočtena vnější kvantová efektivita (IPCE). Předpokládaný spočtený fotoproud při osvitu normovaným slunečním světlem AM1,5 je 1,38 A/m2. Fotoelektrochemické vlastnosti Cu-W-O jsou v této práci porovnávány s vlastnostmi tenké vrstvy materiálu WO3.

Abstract:

This bachelor thesis deals with photoelectrochemical water splitting and hydrogen production. First, it discusses the photocatalytic decomposition of substances with a focus on water, including the conditions for the course of chemical reactions. Subsequently, it deals in detail with the photoelectrochemical water splitting as a compromise between the photocatalytic and electrolytic processes. The functions of the potentiostat are described, including the tasks of the working and counter electrode and the reference electrode, which has an important role not only in the measurement but also in the discussion of the results. The following are the processes in the photoelectrochemical cell during the splitting of water and the demands that are placed on the working semiconductor electrode, which is photoactive and generates free charge carriers capable of redox processes. The methodology of photoelectrochemical experiments and their evaluation, including efficiency calculations, follows. The obtained theoretical knowledge is then applied in the investigation of photoelectrochemical properties of a thin layer of Cu-W-O, which was prepared by reactive magnetron deposition. The width of the bandgap, the extinction coefficient, and the layer absorption were determined by ellipsometric measurements. The basic photoelectrochemical properties of the layer such as semiconductor polarity, recombination rate, and photoactive zone with small dark currents were measured under exposure to an intense ultraviolet lamp ( = 370 nm, P = 3.9 mW/2). More advanced spectroscopic measurements were performed using a J. A. Woollam HS-190 light source. Photocurrents for selected wavelengths were measured and external quantum efficiency (IPCE) was calculated. The assumed calculated photocurrent under exposure to standardized sunlight AM1.5 is 1,38 A m. In this work, the photoelectrochemical properties of Cu-W-O are compared with the properties of the thin layer of WO3 material.

Klíčová slova

fotoelektrochemický rozklad vody, fotoelektrochemická produkce vodíku, potenciostat, CuWO4, Cu-W-O

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 27. 5. 2022

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Doc. Ing. Jiří Čapek, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Bakalářský studijní program / obor:
Aplikované vědy a informatika / Aplikovaná a inženýrská fyzika