Photovoltaic properties of SrTiO3-δ in single crystalline and thin film cells

Abstract

Da der weltweite Energiebedarf in den nächsten Jahren durch technologischen Fortschritt (Stichwort: Internet of things) weiter steigen wird, aber zeitgleich CO2-Ausstoß und der damit verbundene Klimawandel zu unterbinden sind, stellt sich die Frage, wie das bewerkstelligt werden sollte. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise in der Nutzung von Sonnenenergie durch Kombination von Solarzellen und Batterie- oder Brennstoffzellentechnik. Eine solche Kombination aus einer Solarzelle und einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) wird SOPEC (Solid Oxide PhotoElectrochemical Cell) genannt und wäre in der Lage, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln und diese in Form von chemischer Energie zu speichern. Das Problem besteht dabei in der Tatsache, dass übliche Betriebstemperaturen von SOFCs deutlich zu hoch sind, um mit üblichen, siliciumbasierten Solarzellen noch ausreichend hohe Spannungen erzeugen zu können.Im Zuge dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von SrTiO3 (STO) hinsichtlich seiner Eignung für eine solche Solarzelle untersucht, da das Material in der Vergangenheit bereits gezeigt hat, auch bei Temperaturen über 300 °C Spannungen von 1 V zu erreichen. Dazu wurden Proben mittels gepulster Laserdeposition und Photolithographie präpariert, bei denen STO entweder in Dünnschicht- oder Einkristallform zum Einsatz kam und Sr-dotiertes LaCrO3 (LSCr) als Material für die Arbeitselektrode eingesetzt wurde. Gegenelektrode war Sr-dotiertes LaMnO3 (LSM) für Dünnschichtproben und poröses Platin für Einkristallproben. Diese Zellen wurden bei Temperaturen zwischen 300 und 400°C sowie wechselndem Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft betrieben, wobei Änderungen von Spannung (open circuit) und Strom (short circuit) unter UV-Belichtung beobachtet und zusätzlich mittels Impedanzspektroskopie untersucht wurden.Es zeigte sich, dass STO-basierte Dünnschichtzellen keine Spannung über 200 mV generieren konnten und sowohl eine Abweichung vom idealen Sr:Ti-Verhältnis von 1 in der STO-Schicht, als auch die Dotierung mit Eisen dieses Ergebnis verschlechterte. STO als Einkristall erreichte hingegen Spannungen >1 V und nach längerer Äquilibrierung eine flächenspezifische Stromdichte von 0,8 mA/cm2. Unter synthetischer Luft fiel diese Äquilibrierungszeit nahezu vollständig weg und der Strom erreichte sogar 2 mA/cm2.In allen Fällen konnte aber gezeigt werden, dass die Größe des Raumladungswiderstands anders als in etablierten Modellen keine Aussage zur erzeugten Spannung zulässt.Die so hergestellte STO-Einkristallzelle kann in Verbindung mit beispielsweise einer Festoxid-Batterie eingesetzt werden, um die umgewandelte Energie zu speichern. Woher die Hemmung des Stroms unter Raumluft stammt und ob (und wie) sich die Spannung von Dünnschichtzellen verbessern lässt, werden weitere Untersuchungen zeigen.

Global energy consumption is on the rise and will keep rising in upcoming years induced by technological progress (for example the Internet of Things), but on the other hand further greenhouse gas emissions need to be reduced to mitigate climate change. This raises the question of how both of these goals are to be achieved simultaneously. One possibility consists for example in the harvesting and storage of solar energy by combining solar cells with battery- or fuel cell-technology. This combination of a solar cell and a solid oxide fuel cell (SOFC) is known as a solid oxide photoelectrochemical cell (SOPEC) and should be able to convert sunlight to electrical energy and store it in the form of chemical energy. The obvious problem of this idea is however the fact that typical operating temperature ranges of SOFCs are clearly too high for common, silicon-based solar cells to be able to achieve sufficiently high voltage.During the course of this work, the properties of SrTiO3 (STO) were examined regarding its applicability for a solar cell that could be combined with an SOFC, as the material is already known to achieve a photovoltage of 1 V even at temperatures above 300 °C. To do this, samples with STO in either thin film or single crystal application were prepared through pulsed laser deposition and photolithography, with Sr-doped LaCrO3 (LSCr) being used as working electrode material. Regarding the counter electrode, Sr-doped LaMnO3 (LSM) was used for thin film samples and porous platinum was used for single crystal samples. The so-prepared cells were operated at temperatures of 300-400 °C as well as atmospheres with varying oxygen content and changes in voltage (open circuit) and current (close circuit) upon illumination with UV light were monitored. Additional analysis on the samples was performed using electrochemical impedance spectroscopy.As it turned out, STO-based thin film solar cells were unable to achieve photovoltages above 200 mV and deviations from an ideal Sr:Ti-ratio of 1 in the STO-film as well as doping with iron impaired the results even further. The single crystal application of STO on the other hand achieved voltages >1 V and a specific current of ca. 0.8 mA/cm2 after a long equilibration time. By using synthetic air, this long-time equilibration diminished significantly and currents up to 2 mA/cm2 could be achieved. Also, it could be shown that, unlike in established pn-cells, in all cases the size of the space charge region's resistance is not a suitable indicator to predict the potentially achievable photovoltage.The single crystal STO-cell prepared in this fashion could possibly be used in combination with e.g., a solid oxide battery to harvest and store solar energy. The exact reason for the inhibition of photocurrent in ambient air remains unclear at the moment and will be subject to further investigation, as well as the question, if and how the photovoltages of STO in thin film solar cells can be improved.