Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11378
For citation please use:
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorKrol, Roel van de-
dc.contributor.authorLamers, Marlene Angele-
dc.date.accessioned2021-11-26T18:29:39Z-
dc.date.available2021-11-26T18:29:39Z-
dc.date.issued2021-
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12569-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11378-
dc.description.abstractClimate change has affected our environment and human society on a global scale. In order to alleviate this change, we need to decrease our energy consumption and shift our energy production from using fossil fuels to using sustainable carbon-free energy sources. One promising approach is photoelectrochemical water splitting. Metal oxides are promising candidates for this due to their general stability in aqueous solution and low cost. Nevertheless, most metal oxides suffer from relatively poor charge carrier transport and extensive recombination, usually caused by defects. However, defects can also act beneficially if properly understood and engineered. The poor charge carrier transport and its relatively wide bandgap are the two main factors that hinder further improvement of thin film BiVO4 photoanodes, one of the best-performing metal oxide. At the beginning of this thesis, a strategy is developed to enhance the carrier transport (~70% increase in the carrier diffusion length) and reduce the bandgap of BiVO4 by ~0.3 eV by sulfur incorporation into the crystal lattice. This increases the theoretical maximum solar-to-hydrogen efficiency from 9 to 12% while maintaining the favorable band alignment for solar water splitting. In the second part, the formation and suppression of defects during heat treatment of BiVO4 is examined and a method to engineer intrinsic defects in BiVO4 is developed. In all annealing atmospheres, the grain size increases with increasing temperature resulting in an improved charge carrier mobility. Furthermore, annealing in air suppresses the formation of oxygen vacancies leading to an up to ∼1.5-fold improvement of the photocurrent. Above 500 °C vanadium vacancies are formed, which leads to a decrease in photocurrent. This vanadium loss can be avoided by supplying excess vanadium in the gas phase during annealing. In the last part of this thesis, the interplay between annealing temperature, oxygen partial pressure, concentration of defects, and photocurrent of CuBi2O4, a promising photocathode material, is elucidated. Oxygen vacancies are formed when increasing the annealing temperature in air. This results in an enhanced carrier separation leading to a ~3 times improved photocurrent.en
dc.description.abstractDer Klimawandel hat unsere Umwelt und die Gesellschaft im globalen Maßstab beeinflusst. Um diesen Wandel abzumildern, müssen wir unseren Energieverbrauch senken und unsere Energieproduktion von der Nutzung fossiler Brennstoffe auf nachhaltige kohlenstofffreie Energiequellen umstellen. Ein vielversprechender Ansatz ist die photoelektrochemische Wasserspaltung. Metalloxide sind aufgrund ihrer allgemeinen Stabilität in wässriger Lösung und ihrer geringen Kosten vielversprechende Kandidaten dafür. Dennoch leiden die meisten Metalloxide unter einem relativ schlechten Ladungsträgertransport und Rekombination, die in der Regel durch Defekte verursacht werden. Defekte können jedoch auch vorteilhaft wirken, wenn sie richtig verstanden und konstruiert werden. Der schlechte Ladungsträgertransport und seine relativ große Bandlücke sind die beiden Hauptfaktoren, die eine weitere Verbesserung der Dünnfilm-BiVO4-Fotoanoden, eines der leistungsstärksten Metalloxide, behindern. Zu Beginn dieser Arbeit wird eine Strategie entwickelt, um den Ladungsträgertransport zu verbessern (~70% Erhöhung der Ladungsträgerdiffusionslänge) und die Bandlücke von BiVO4 durch Schwefeleinbau in das Kristallgitter um ~0,3 eV zu reduzieren. Dadurch wird der theoretische maximale Solar-Wasserstoff-Wirkungsgrad von 9 auf 12% erhöht, während die günstige Bandausrichtung für die solare Wasserspaltung beibehalten wird. Im zweiten Teil wird die Bildung und Unterdrückung von Defekten während der Wärmebehandlung von BiVO4 untersucht und eine Methode zur Konstruktion intrinsischer Defekte in BiVO4 entwickelt. In allen Atmosphären nimmt die Korngröße mit steigender Temperatur zu, was zu einer verbesserten Ladungsträgermobilität führt. Darüber hinaus unterdrückt das Heizen in Luft die Bildung von Sauerstoffleerräumen, was zu einer bis zu ∼1.5-fachen Verbesserung des Photostroms führt. Oberhalb von 500 °C werden Vanadium-Leerstellen gebildet, was zu einer Abnahme des Photostroms führt. Dieser Vanadiumverlust kann vermieden werden, indem während des Heizens überschüssiges Vanadium in der Gasphase zugeführt wird. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Zusammenspiel zwischen Heiztemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Defektkonzentration und Photostrom von CuBi2O4, einem vielversprechenden Photokathodenmaterial, aufgeklärt. Sauerstoffleerräume entstehen bei der Erhöhung der Glühtemperatur in Luft. Dies führt zu einer verbesserten Ladungsträgertrennung, die zu einem ~3-fach verbesserten Photostrom führt.de
dc.description.sponsorshipBMBF, 03SF0478A, Tandem-Photoelektroden für die licht-induzierte Wasserstoffentwicklungen
dc.description.sponsorshipBMBF, 01DP14011, Ladungstransferprozesse an Halbleiter-Katalysator-Grenzflächen als Photoelektroden für die solare Wasserspaltung (CT-PEC)en
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/en
dc.subject.ddc540 Chemie und zugeordnete Wissenschaftende
dc.subject.otherwater splittingen
dc.subject.othermetal oxidesen
dc.subject.otherdefectsen
dc.subject.otherBiVO4en
dc.subject.othersolar fuelsen
dc.subject.otherWasserspaltende
dc.subject.otherMetalloxidede
dc.subject.otherDefektede
dc.subject.otherBViVO4de
dc.subject.othersolare Brennstoffzellende
dc.titleDefects in complex metal oxide photoelectrodes for solar water splittingen
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeKrol, Roel van de-
dc.contributor.refereeSharp, Ian-
dc.date.accepted2019-02-12-
dc.title.translatedDefekte in komplexen Metalloxid-Photoelektroden für die solare Wasserspaltungde
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.affiliationFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Inst. Chemie » FG Technische Chemiede
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Publications

Files in This Item:
lamers_marlene.pdf
Format: Adobe PDF | Size: 6.2 MB
DownloadShow Preview
Thumbnail

Item Export Bar

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons