In the last decade photovoltaic energy has increased its efficiency and contribution on the global energetic production; one third of the world energetic demand is although constituted by fuels, in other words energy vectors that could be easily stored and moved. Whereas there are no well-established solutions to satisfy this energetic request, the production of hydrogen via solar source stands as one of the most acknowledged and promising answers to the problem. The process of water-splitting consists in using a solar-produced driving force to separate water into its two constituents. The work of this thesis aims to enhance and optimize the efficiency of a photoelectrochemical device for water-splitting applications; a TiO2 hierarchical nanostructured photoelectrode is sensitized with quantum-dots of a photocatalytic material, cadmium sulfide, chosen due to its apt properties for this application. The amount of CdS quantum dots deposited on the substrate is taken as the main parameter for the optimization of the device. The realization of the substrate is performed via PLD to obtain hierarchical structures with high roughness factor and good light-trapping properties; crystallographic studies on the TiO2 substrates show a nanocrystalline structure with enhanced transport properties thanks to the directional growth of the crystals. The SILAR chemical sensitization technique is employed to deposit a uniform layer of CdS quantum dots on the TiO2 structure, in order to enhance the absorption of the whole device and achieve a high optical density. The whole photoelectrochemical device is then completed with a platinum wire as the counter electrode and an electrolytic solution as the interfacial buffer between the two electrical contacts. A deep analysis of the photoelectrode is performed to assess its optical, structural and morphological characteristics: SEM and TEM images, Raman and PL spectroscopy, XRD analysis, UV-Vis spectrophotometry. The whole device is then connected to an electrochemical workstation to characterize its performance via J-V curves and EQE/IQE spectra.
Negli ultimi decenni l'energia fotovoltaica ha migliorato la propria efficienza ed il proprio contributo al livello di produzione energetica globale; un terzo della richiesta energetica mondiale è tuttavia costituita da combustibili, cioè vettori energetici che possano essere facilmente immagazzinati e movimentati. Sebbene non ci siano soluzioni consolidate che soddisfino questa richiesta energetica, la produzione di idrogeno tramite solare si pone come una delle più riconosciute e promettenti riposte al problema. Il processo di water-splitting consiste nell'impiegare un potenziale di origine solare per separare l'acqua nei suoi due costituenti. Il lavoro di questa tesi mira a migliorare e ottimizzare l'efficienza di un dispositivo fotoelettrochimico per applicazioni di water-splitting; un fotoelettrodo di TiO2 gerarchicamente nanostrutturato è sensitizzato con quantum-dot di un materiale fotocatalitico, solfuro di cadmio, scelto per le sue proprietà adatte a quest'applicazione. Il quantitativo di quantum-dot di CdS depositati sul substrato è scelto come principale parametro per l'ottimizzazione del dispositivo. La realizzazione del substrato è svolta tramite PLD al fine di ottenere strutture gerarchiche con elevato roughness factor e buone proprietà di intrappolamento della luce; studi cristallografici sui substrati di TiO2 mostrano una struttura nanocristallina con migliorate proprietà di trasporto grazie alla crescita direzionale dei cristalli. La tecnica di sensitizzazione chimica SILAR è impiegata per depositare uno strato uniforme di quantum-dot di CdS sul substrato di TiO2 al fine di potenziare l'assorbimento dell'intero dispositivo e ottenere un'altra densità ottica. L'intero dispositivo fotoelettrochimico è quindi completato con un filo di platino come contro-elettrodo e con una soluzione elettrolitica come buffer d'interfaccia fra i due contatti elettrici. Un'approfondita analisi è condotta sul fotoelettrodo per valutare le sue caratteristiche ottiche, strutturali e morfologiche: immagini SEM e TEM, spettroscopia Raman e PL, analisi XRD, spettrofotometria UV-Vis. L'intero dispositivo è quindi connesso ad una stazione elettrochimica di lavoro per caratterizzare le sue prestazioni tramite curve J-V e spettri EQE/IQE.
Quantum dot sensitized hierarchical TiO2 nanostructures for water splitting applications
MEZZETTI, ALESSANDRO
2011/2012
Abstract
In the last decade photovoltaic energy has increased its efficiency and contribution on the global energetic production; one third of the world energetic demand is although constituted by fuels, in other words energy vectors that could be easily stored and moved. Whereas there are no well-established solutions to satisfy this energetic request, the production of hydrogen via solar source stands as one of the most acknowledged and promising answers to the problem. The process of water-splitting consists in using a solar-produced driving force to separate water into its two constituents. The work of this thesis aims to enhance and optimize the efficiency of a photoelectrochemical device for water-splitting applications; a TiO2 hierarchical nanostructured photoelectrode is sensitized with quantum-dots of a photocatalytic material, cadmium sulfide, chosen due to its apt properties for this application. The amount of CdS quantum dots deposited on the substrate is taken as the main parameter for the optimization of the device. The realization of the substrate is performed via PLD to obtain hierarchical structures with high roughness factor and good light-trapping properties; crystallographic studies on the TiO2 substrates show a nanocrystalline structure with enhanced transport properties thanks to the directional growth of the crystals. The SILAR chemical sensitization technique is employed to deposit a uniform layer of CdS quantum dots on the TiO2 structure, in order to enhance the absorption of the whole device and achieve a high optical density. The whole photoelectrochemical device is then completed with a platinum wire as the counter electrode and an electrolytic solution as the interfacial buffer between the two electrical contacts. A deep analysis of the photoelectrode is performed to assess its optical, structural and morphological characteristics: SEM and TEM images, Raman and PL spectroscopy, XRD analysis, UV-Vis spectrophotometry. The whole device is then connected to an electrochemical workstation to characterize its performance via J-V curves and EQE/IQE spectra.File | Dimensione | Formato | |
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