Simulations and measurements of GaAs-based photoelectrochemical cells

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tossi, Camilla
dc.contributor.author Hällström, Lassi
dc.date.accessioned 2018-02-23T14:29:40Z
dc.date.available 2018-02-23T14:29:40Z
dc.date.issued 2018-02-12
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30092
dc.description.abstract The photoelectrochemical cell offers a way to use solar power to efficiently split water into hydrogen and oxygen. A semiconductor electrode is used to generate electrical power from sunlight and drive the hydrogen and oxygen evolution reactions in aqueous environment. The work in this thesis aims to improve the understanding of the dynamics of the semiconductor electrode in a photoelectrochemical cell by implementing a numerical model of the system. The model is used to solve the carrier densities during the operation, when the charge carriers in the semiconductor are not in thermal equilibrium due to the incident radiation generating electron-hole pairs. The simulated results are compared to experimental study of different GaAs-based photoelectrodes. For the experimental study both p- and n-type GaAs photoelectrodes were fabricated. In addition, a sample with a thin epitaxial n-type layer on a p-type substrate was studied. Chopped light voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements were used to characterize the samples. The results show that p-type GaAs is not effective as a photoelectrode due to large overpotential required before any photocurrent was observed. The n--type layer was found to slightly improve the results. The current from the n-type sample was observed to be significantly better, but this is likely to be attributed to dissolving of the sample instead of water splitting reaction. The implementation of the numerical model was successful, but the accuracy of the simulated results leaves room for improvement. The implementation of drift-diffusion model used for the simulation cannot explain all of the measured results, and a more sophisticated model would be required for predictive simulations. Based on the results, key issues are identified and future development ideas suggested. en
dc.description.abstract Valosähkökemiallinen kenno tarjoaa keinon käyttää aurinkoenergiaa tehokkaasti hajottamaan vettä vedyksi ja hapeksi. Puolijohde--elektrodi generoi sähkövirtaa auringon valon avulla sekä ajaa vedyn ja hapen kehitysreaktioita vesipitoisessa ympäristössä. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia puolijohde--elektrodin dynamiikkaa valosähkökemiallisessa kennossa kehittämällä numeerinen malli. Mallin avulla voidaan laskea varauskuljettajien tiheydet kennon toiminnan aikana, jolloin elektronit ja aukot eivät ole termisessä tasapainotilassa valaistuksen luomien varauskuljettajaparien vuoksi. Simuloituja tuloksia verrataan kokeelliseen työhön, jossa käytettiin erilaisia GaAs-pohjaisia elektrodeja. Kokeellista työtä varten valmistettiin sekä p- että n-tyypin GaAs-elektrodit. Lisäksi valmistettiin p-tyypin näyte, jonka päälle kasvatettiin ohut n--tyypin kerros. Näytteistä mitattiin virta-jännite -käyrä katkotulla valaistuksella sekä sähkökemiallinen impedanssispektri. Tulokset osoittavat, että p-tyypin GaAs ei ole tehokas elektrodi veden hajottamiseen, sillä se vaatii korkean ylijännitteen ennen kuin valon tuottama virta on havaittavissa. Kasvatetun n-tyypin kerroksen havaittiin parantavan tuloksia. N-tyypin näytteen tuottama virta havaittiin huomattavasti paremmaksi, mutta todennäköisesti kyse on näytteen hajoamisreaktiosta veden hajottamisen sijaan. Tulosten perusteella numeerisen mallin tarkkuuden parantamiseksi esitetään jatkotoimia, sillä simulaation taustalla oleva fysikaalinen malli ei kykene selittämään aivan kaikkia mitattuja tuloksia. fi
dc.format.extent 51+7
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Simulations and measurements of GaAs-based photoelectrochemical cells en
dc.title GaAS-pohjaisten valosähkökemiallisten kennojen simuloinnit ja mittaukset fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword renewable energy en
dc.subject.keyword photoelectrochemical cell en
dc.subject.keyword water splitting en
dc.subject.keyword numerical simulation en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201802231629
dc.programme.major Advanced Materials and Photonics fi
dc.programme.mcode ELEC3035 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Tittonen, Ilkka
dc.programme NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013) fi
dc.ethesisid Aalto 9800
dc.location P1 fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account