Influence of the fabrication process on the performance of hybrid organic photocathodes for water splitting

In the last 20 years CO2 emission has given a large contribution to global warming, reaching critical values. To cope with this crisis, Hybrid Organic photoelectrochemical (HOPEC) water splitting, in which organic semiconductors are used in place their inorganic counterpart, grew as a novel technology which could prompt molecular hydrogen as a sustainable chemical-fuel, replacing hydrocarbons. To enable this transition, a threshold in terms of cost, efficiency and service life needs to be reached. This work aims at investigating novel materials and architectures, which can allow HOPEC water splitting to reach this goal. In particular, a comparison in terms of devices efficiency has been performed on hybrid organic photocathodes (HOPC) obtained mainly via physical vapour deposition (PVD) or all solution processed ones (ASP). While the first approach allows to obtain high quality materials which properties can be fine tuned at the nanoscale, the latter benefits of lower fabrication costs and time which, in the overall system balance, play a major role in determining the final cost of the chemical fuel.. For HOPC material selection is crucial to obtain high performances. For this reason, the first part of this work focuses on the selection criteria of each single material for each specific application within the photocathode architecture.. Subsequently, each single layer is characterized and optimized, using platinum (Pt) as catalyst, titanium dioxide (TiO2) as electron selective layer (ESL) and tungsten diselenide (WSe2) as hole selective layer (HSL). After an accurate optimization, two different architectures are made, which differs for the organic photoactive layer. Those layers are called Bulk Heterojunctions (BHJ), which are composed by semiconducting polymers, and in this work are used P3HT:PCBM and PCDTBT:PC70BM. Each structure is then compared with the counterpart made by PVD techniques, to evaluate how the different fabrication process influences the overall device performances.

Negli ultimi 20 anni l’emissione di CO2 nel mondo ha contribuito enormemente al surriscaldamento globale, raggiungendo valori critici. Per far fronte a questa crisi, il settore dell’ibrido organico fotoelettrochimico (HOPEC) per water splitting, in cui semiconduttori organici sono usati al posto della loro controparte inorganica, è cresciuto come nuova tecnologia, proponendo l’idrogeno molecolare come combustibile ecosostenibile per rimpiazzare gli idrocarburi. Per ottenere questa transizione, è doveroso ottenere raggiungere un valore minimo in termini di costo, vita media del dispositivo e efficienza. Questo lavoro ha lo scopo di investigare nuovi materiali e nuove architetture che possano permettere ai dispositivi HOPEC di raggiungere questo obiettivo. In particolare, una comparazione in termini di efficienza del dispositivo è stata fatta su fotocatodi ibridi organici (HOPC) ottenuti tramite “physical vapour deposition” (PVD) o “all solution processed”(ASP). Mentre il primo approccio permette id ottenere una qualità del materiale alta, le cui propietà possono essere regolate accuratamente su scala nanometrica, l’altra beneficia di bassi costi e tempi brevi di fabbricazione che, nel quadro complessivo, gioca un ruolo maggiore nel determinare il costo finale del carburante chimico. Per HOPC, la selezione dei materiali è cruciale per ottenere performance alte. Per questa ragione, la prima parte di questo lavoro pone l’attenzione sui criteri di selezione per su ogni singolo materiale per ogni appicazione specifica all’interno dell’architettura del fotocatodo. Successivamente, ogni singolo layer è caratterizzato e ottimizzato, usando platino (Pt) come catalizzatore, diossido di titanio (TiO2) come selettore di elettroni (ESL) e seleniuro di tungsteno (WSe2) come selettore di buche (HSL). Dopo un’ottimizzazione accurata, due architetture differenti vengono testate, che differiscono nella scelta del materiale per il ruolo di layer organic fotoattivo. Questi layer sono chiamati “Bulk Heterojunction”, composti da semiconduttori organici, e in questo lavoro sono usati il P3HT:PCBM e il PCDTBT:PC70BM. Ogni struttura è poi comparata con la controparte fabbricata tramite PVD, per valutare come le differenti tecniche di fabbricazione influenzano le performace del device completo.