Desenvolvimento de fotoeletrodos de si com micro e nanotexturação: otimização do contato posterior e do cocatalisador de superfície

Abstract

O processo fotoeletroquímico da água para produção de H2 e O2 é uma alternativa promissora às fontes de energia de alto impacto ambiental preponderantes na matriz energética mundial. Neste processo, fotoeletrodos baseados em semicondutores convertem a energia emitida pelo Sol em tensão e corrente fotogerados que fomentam a quebra da molécula da água. O presente trabalho dedica-se à confecção, otimização e caracterização de fotoeletrodos de silício tipo p, com o objetivo de aprimorar sua capacidade de capturar fótons incidentes e escoar portadores de carga nas interfaces frontal e posterior. As texturações de superfície via ataque químico anisotrópico e etching seletivo melhoram as propriedades ópticas do fotoeletrodo reduzindo a refletância ponderada média, em consequência das sucessivas reflexões, em 6,18% e 25,27% respectivamente. Aumentam significativamente a área superficial dos fotoeletrodos. A implementação de processos adequados de preparo e deposição de filmes metálicos para criação de contato posterior e decoração com cocatalisadores de superfície via magnetron sputtering (MS) otimizado para as superfícies texturadas obtiveram significativa melhora na eficiência dos fotoeletrodos. Os processos desenvolvidos neste trabalho alcançaram resultados como: 1,63% de eficiência para fotoeletrodos as-cut com cocatalisador de paládio com 60 s de deposição via MS e 3,26% de eficiência com cocatalisador de platina com 30 s de deposição; 2,97% de eficiência para fotoeletrodo nanotexturado via etching seletivo com tempo de 2,5 min de ataque químico e com cocatalisador de platina com 15 s de deposição; 5,07% de eficiência para fotoeletrodo microtexturado via ataque químico anisotrópico com cocatalisador de superfície de platina com tempo de deposição de 45 s.

The photoelectrochemical process of water for H2 and O2 production is a promising alternative to the predominant high environmental impact energy sources in the global energy matrix. In this process, semiconductor-based photoelectrodes convert the energy emitted by the sun into photogenerated voltage and current that promote the breakdown of the water molecule. The present work is dedicated to the manufacture, optimization and characterization of p-type silicon photoelectrodes, aiming to improve their ability to capture incident photons and to carry charge carriers at the front and rear interfaces. Surface texture via anisotropic chemical etching and selective etching improve the optical properties of the photoelectrode by reducing the average weighted reflectance by 6.18% and 25.27% respectively. Significantly increase the surface area of photoelectrodes. The implementation of adequate metal film preparation and deposition processes for back contact creation and decoration with surface co-catalysts via magnetron sputtering (MS) optimized for textured surfaces has obtained significant improvement in photoelectrode efficiency. The processes developed in this work achieved results such as: 1.63% efficiency for as-cut palladium cocatalyst photoelectrodes with 60 s deposition via MS and 3.26% efficiency with platinum cocatalyst with 30 s deposition; 2.97% efficiency for nanotextured photoelectrode via selective etching with 2.5 min time of chemical etching and with 15 sec deposition cocatalyst; 5.07% efficiency for microtextured photoelectrode via anisotropic chemical etching with platinum surface cocatalyst with 45 s deposition time.