Thin films growth by pulsed laser deposition for solid oxide fuel cell applications

The growing demand for miniaturized systems for energy conversion and storage has prompted extensive research aimed at the fabrication of solid state ionic devices in thin film form. Namely, in the recent years many researchers are working to realize Solid Oxides Fuel Cell in micrometric scale (micro-SOFCs). Micro-SOFCs are very promising because a reduction to the micro-scale of the fuel cell components (cathodes, electrolytes and anodes) thickness has relevant consequence to increase the performances. Higher performance of the SOFCs means to reduce the working temperature (about 800-1000 °C for conventional SOFC based on yttria-stabilized zirconia) allowing their use as batteries in the portable devices. Electrochemical devices can be miniaturized for portable applications (μ-SOFCs) using novel deposition techniques of thin films and heterostructures. One of the promising technique is Pulsed Laser Deposition (PLD). Namely, this technique is suitable to grow complex oxides and heterostructures with overall thickness of few nanometers. In this thesis we used the PLD technique for the fabrication of SOFC components, such as electrolytes and cathodes. The crystalline quality and the morphological structure of the thin films were investigated by X-Ray Diffraction (XRD) and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). In conclusion the performances of the components were studied using Electrochemical Impedance technique at high and low oxygen partial pressure in the temperature range from 400°C to 800°C. Chapter 1 is focused on state of the art of thin film technologies in the μ-SOFCs. Chapter 2 explains the techniques used for the synthesis and the electrochemical characterization of the thin films and the heterostructures. Chapter 3 shows the properties of the epitaxial Samarium-doped Ceria (SDC) thin film with lower and higher mosaic spread deposited onto MgO (001) single crystals. Chapter 4 shows the ionic mechanisms of the conductivity at the interface in the SDC/YSZ multilayered systems. Chapter 5 shows the performances of the nano-porus cathodes with larger active surface and larger triple phase boundary (TPB) at the electrode/electrolyte compared to dense cathodes.

La crescente domanda di sistemi miniaturizzati per la conversione e stoccaggio dell'energia ha spinto un'ampia ricerca finalizzata alla fabbricazione di dispositivi ionici a stato solido sotto forma di film sottile. Vale a dire, negli ultimi anni molti ricercatori stanno lavorando per realizzare le celle a combustibile Ossidi solidi in scala micrometrica (micro-SOFC). Le micro celle a ossidi solidi sono molto promettenti, in quanto una riduzione su scala micrometrica dello spessore dei componenti delle celle a combustibile (catodi, elettroliti e anodi) comporta un aumento considerevole delle prestazioni. Prestazioni più elevate del SOFCs consente di ridurre la temperatura di esercizio (circa 800-1000°C per SOFC convenzionali basate su zirconia stabilizzata con yttria (YSZ)) tali da consentire il loro uso come batterie per i dispositivi portatili. Dispositivi elettrochimici possono essere miniaturizzati per applicazioni portatili (μ-SOFC), utilizzando nuove tecniche di deposizione di film sottili. Una delle tecniche più promettenti è la Pulsed Laser Deposition (PLD). Questa tecnica è adatta a crescere ossidi complessi e eterostrutture con spessore complessivo di pochi nanometri. In questa tesi abbiamo utilizzato la tecnica PLD per la fabbricazione di componenti SOFC, come elettroliti e catodi. La qualità cristallina e la struttura morfologica dei film sottili sono state studiate con la diffrazione a raggi X (XRD) e con il Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). In conclusione, le prestazioni dei componenti sono stati studiati con la Spetettroscopia di Impedenza ad alta e bassa pressione parziale di ossigeno nell’inervallo di temperature che vanno da 400°C a 800°C. Capitolo 1 è incentrato sullo stato dell'arte delle tecnologie a film sottile in μ-SOFC. Capitolo 2 spiega le tecniche utilizzate per la sintesi e la caratterizzazione elettrochimica di film sottili e di eterostrutture. Capitolo 3 mostra le proprietà della Ceria drogata con Samario (SDC) sotto forma di film depositato su MgO (001). Capitolo 4 illustra i meccanismi di conducibilità ionica all'interfaccia SDC/YSZ di film superreticoli depositati su MgO. Il capitolo 5 mostra le prestazioni dei catodi nano-porosi confrontati a catodi densi.