Введение к работе
Актуальность темы. В связи с постоянным истощением запасов ископаемого топлива и проблемой загрязнения окружающей среды все более актуальное значение приобретает задача использования солнечного излучения, как альтернативного и возобновляемого источника энергии, важнейшим достоинством которого является экологическая чистота. Для более широкого и эффективного использования солнечной анергии необходимо разработать экономически приемлемые способы ее концентрирования, преобразования и хранения.
Одним из перспективных методов прямого преобразования солнечной энергии является способ, основанный на проведении фотоэлек-трохимических реакций в элементах, включающих полупроводниковые электроды. Анализ различных способов показывает, что аккумулирование солнечной энергии в виде химический энергии водорода является наиболее эффективной формой использования.
Кремний является оДним из наиболее подходящих полупроводниковых электродов для преобразования солнечной энергии. Поэтому граница раздела кремний/электролит привлекает широкое внимание, как перспективная система для преобразования солнечной энергии. Изучению фотоэффекта на границе кремниевых электродов о электролитом посвящено большое число работ. Большинство из этих работ работ выполнено с помощью обычных фотоэлектрохимических измерений ( в стационарных условиях освещения ) спектральных я вольт-амперных характеристик фототока, вольт-фарадкых характеристик я очень мало известно о динамике процессов на меифазной границе, происходящих во временном интервале 10 - 10 с.
Фотоэлектрохимический эффект, наблюдаемый при освещении полупроводника в электролите, является результатом нескольких процессов: генерации электронно-дарочшх тр в области объемного заряда и за ее пределами, объемной и поверхностной рекомбинации электронов и дырок, диффузия носителей тока в обедненную
область, перенос электрона на граница полупроводник/электролит
к т.д. Поэтому стационарные методы не позволяет разделить перо-, численные процессы dea дополнительных предположений о формо распределения потенциала и диффузионном механизме собирания носителей тока. Кинетический метод, в котором первичное разделенно носителей тока в барьере и последующие процессы разделены во времени, может служить эффективным методом в определении ролл различных процессов и лучшем понимании фотоэлоктрохимического эффекта па границе раздела полупроводник/электролит.
, Б настоящее вреі,;я нгвозмохно дать окончательную сводку и интерпретацию особенностей фотоэлектрохимического преобразования солнечной энергии на основе полупроводниковых электродов ( в тс.т числе p-SL). Б то ае время обсуждение современного состояния проблемы на качественном уровне и формулировка задач дальнейпягі экспериментальных исследований возможны и актуальны.
Цель» настоящей диссертационной работы является определение распределения потенциала, плотности поверхностных состояшШ, скорости электрохимических реакций и поверхностной рекомбинация Е их влияния на эффективность фотоэлектрохпмического выделения водорода на граница p-SL /электролит;
Для достижения этой цели в работе поставлены следующее задачи:
I, Разработать способ измерения потенциала плоских вон полу--проводниковово электрода в растворе электролита.
2.' Разработать методику измерения кинетических параметров . фотоэффекта на границе раздела полупроводник/электролит.
-
Исследовать стационарные характеристики границы раздела p-SL /электролит,
-
Исследовать кинетические характеристики Гранины раздела p-SL /электролит.
б. Построить качественную модель фотоэффекта на меафазной
геаКкче p-S'i/$*tfcT?0AtTT,
Научная новизна
І. Разрзботзп новий метод исследования процессов на полупро-еоднековнх олєктродах в растворе электролитов, основанный на.им-пульсном освещении границы раздела полупроводник/электролит в оЛгчстд собственного поглощения полупроводника о регистрацией воэ-ісг^ігдего язмєкзнпя потенциала электрода. Разрешение метода во гп-чени лучше 20 не при изменении потенциала до 10-.
2.' Предложен новнй способ измерения потенциала плоских зон полупроводникового электрода в растворе электролита. Иредложен-rju способ :.:пг:ет бить попользован для измерения Ц),. широкого класса полупргводшговкх электродов в различных растворах элек-трстагов.
«З;1 Установлена зависимость потенциала плоских зон кремниевого електрода от рН раствора электролита.
4." Определены плотность поверхностных состояний и распреде-ленпо потенциала на границе р- St /электролит.
Б. /Предложена качественная модель фотоэффекта на границе
Г-81/электРс,-,шт»
Практичесгля ценность." Результаты данной работы могут быть использованы при создании фотоэлектрохимических преобразователей и электрохимических производств, использудцих полупроводниковые материалы. Способ исследования и анализа материалов полупроводниковых фотоэлектродов в растворах электролита, защищенный авторе-ким свидетельством, внедрен в научно-иослбдовательскув практику ИШЭШфАНР.
Основныа положения.выносимые на защиту. I. Описание нестационарного метода исследования электродных процессов на полупроводниковых электродах в растворах электролитов основанный на xt-ггульсном освїггзнии граниш раздела полупроводник/электролит, с гі-лГіСтихц'.і-Л :зз:.:ененяя потенциала "л.'.уплоЕоглжковэго эл?;яро^д„
It Onstcrwrg способа аз.'.:ерзпі-тл ^о? w дала iltocxzx зон полугро- _
бодішкового электрода в растворах электролитов.
Зі Результаты измерения потенциала плоских зон полупроводникового электрода из кремния р-типа.
4; Результаты измерения плотности и энергетического распределения поверхностных состояний на границе кремний/злэктролит.
Б." Результаты исследования кинетики фотоэффекта на границе раздела кремний/электролит, позволяющие определить скорости поверхностной рекомбинации и электродных реакций, коэффициент переноса электронов на межфазной границе и положение энергетических зон полупроводника относительно окислительно-восстановительного потенциала соответствующей реакции.
6. Результаты исследований эквивалентной схемы отражающей термодинамику и кинетику электродных процессов, происходящих на мекфазной границе полупроводник/электролит.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались в обсуждались на П Всесоюзной конференции по возобновляемым источникам энергии ( Ереван, 1985 г. ); на Всесоюзной конференции по фотокаталитическому преобразованию солнечной энергии ( Ленинград, 1987 г, ); на 37-ой международной конференции по. электрохимии ( Вильнюс, 1986 г. );.на УП Всесоюзной конференции по электрохимии ( Черновцы, 1988 г.); на Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках ( Ашхабад, І99Ї г. ); на конкурсах научных работ И5Х АН СССР и молодых ученых ОИХФ СССР.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах и защищены авторским свидетельством.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 126 страницах 'ыашшописного текста, состоит из введения, четырех глав, вызодов и списіса цитируемой литературы, включающей работы советских и зарубежных авторов, 33 рисунка.
