Estudio del desempeño de semiconductores basados en silicio como fotocátodos para la obtención de hidrógeno en procesos de electrólisis fotoasistida

• Autor: Obregón Valencia, Daniel Cristopher
• Formato: tesis de maestría
• Fecha de Publicación: 2022
• Institución: Pontificia Universidad Católica del Perú
• Repositorio: PUCP-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:tesis.pucp.edu.pe:20.500.12404/22839
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.12404/22839
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Hidrógeno--Producción; Electrólisis; Semiconductores--Silicio--Desempeño; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#1.04.00

El hidrógeno puede obtenerse mediante electrólisis del agua por imposición de corriente eléctrica, lo cual implica costos relativamente altos de energía. El Perú se encuentra en una de las regiones con mayor incidencia de radiación solar en el mundo. Esta energía abundante y renovable puede ser empleada para asistir el proceso de electrólisis de agua en las denominadas celdas fotoelectroquímicas (PEC). Para ello se requiere el empleo de materiales semiconductores como electrodos. Los semiconductores generan fotocorriente en función a sus propiedades optoelectrónicas y estabilidad química. En esta investigación se estudia el desempeño de silicio cristalino dopado con boro (tipo p) con distintas resistividades eléctricas como fotocátodos para la producción de hidrógeno en una PEC. El enfoque del estudio es evaluar la influencia de la formación de SiO2 en la producción de fotocorriente de hidrógeno en electrolitos ácidos. Las muestras de p-Si fueron sometidos a tratamiento de ataque químico en HF 10% para luego ser estudiados en PECs por las técnicas de monitoreo del potencial de circuito abierto y bajo iluminación estándar AM1.5G intermitente, producida por un simulador solar con lámpara de xenón, por las técnicas de voltametría de barrido lineal y cronoamperometría. También se caracterizó las propiedades como el potencial de banda plana y el dopaje mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica potenciodinámica y el análisis de Mott- Schottky. Mediante los ensayos de voltametría de barrido lineal en las muestras p-Si (100) con resistividad de 0,001-0,005 Ω cm se encontró un potencial onset de -0,30 V vs. Ag/AgCl KCl 3M y una densidad de fotocorriente máxima de -16 mA cm-2 en la muestra con tratamiento químico con solución de HF al 10% en comparación con -0,5 mA cm-2 en la muestra sin tratamiento químico. Asimismo, se realizó ensayos de cronoamperometría bajo luz intermitente por 3 horas diarias durante 3 días consecutivos. La caracterización superficial de dichas muestras por microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de energía dispersiva y elipsometría confirmaron la formación de una capa de óxido mayor de 15 nm de espesor en las muestras que estuvieron inmersas en una solución purgada con aire, es decir, soluciones electrolito con mayor presencia de oxígeno disuelto. Se observó una reducción promedio de densidad de fotocorriente de -15 mA cm-2 a -3 mA cm-2 al finalizar los ensayos de largo plazo lo cual se atribuye a la formación de óxidos en la superficie de la muestra.