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Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit war, den Einfluss von UV –Licht auf die Sauerstoff-Nichtstöchiometrie und deren Auswirkung auf die elektrochemischen Eigenschaften von undotierten (SrTiO3-δ) und Fe-dotierten (SrTi0.98Fe0.02O3-δ) Strontiumtitanat zu untersuchen. Diese gemischtleitenden Oxide spielen aufgrund ihrer Anwendbarkeit in chemischen Sensoren und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) eine entscheidende Rolle bei der Herstellung emissionsfreier Technologien zur Stromerzeugung. Die Sauerstoff-Stöchiometrie definiert dabei ihre ionische und elektronische Leitfähigkeit, da sich ihre Defektkonzentration mit dem Sauerstoffpartialdruck p(O2), der Temperatur und, wie kürzlich gezeigt, unter UV-Licht ändern. In dieser Arbeit wurden drei Ansätze gewählt, besagten Effekt der Nichtstöchiometrie zu beschreiben und zu quantifizieren.Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von UV-Belichtung auf den Einbau von Sauferstoff in Strontiumtitanat. Dieser wurde mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht. Hierbei kamen Strontiumtitanat-Einkristalle zum Einsatz, deren Impedanz vor, während und nach UV-Lichtbestrahlung gemessen wurde. Die Messungen wurden in unterschiedlicher Atmosphäre durchgeführt, wobei der Sauerstoffpartialdruck zwischen 10-4 und 1 bar lag. Neben unbehandelten Einkristallen wurde zusätzlich der Einfluss von der beleuchteten Seite abgeschiedener Keramikdünnfilme, wie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid und Strontium-dotiertes Lanthanchromit, auf den UV-gesteuerten, verstärkten Sauerstoffeinbau bei solchen Messungen untersucht.Das zweite Hauptthema dieser Arbeit handelt von elektrochemischen Zellen auf Strontiumtitanat-Dünnschichtbasis, die sogenannten photoelektrochemischen Festoxidzellen (SOPEC), und der Einfluss der UV-Lichtbeleuchtung auf deren Leerlaufspannung. UV-Licht sorgt bei solchen Zellen nicht nur für einen photovoltaischen, sondern auch für einen elektrochemischen Effekt, der durch die Änderung der Sauerstoff-Nichtstöchiometrie hervorgerufen wird. Die Messungen der Leerlaufspannung wurden als Funktion der Zeit und des Sauerstoffpartialdrucks durchgeführt, während UV-Licht ein- und ausgeschaltet wurde. Dabei wurden charakteristische Spannungen gemessen, deren Größe durch Temperatur und Sauerstoffpartialdruck beeinflusst wurden.Im dritten Teil wurden GaPO4-Mikrowaagen, die imstande sind, Massenänderungen im ng-Bereich zu detektieren, herangezogen, um die Masseänderung keramischer Dünnschichter während Sauerstoffpartialdruckänderungen und UV-Beleuchtung zu überwachen. Zu Beginn wurden Messparameter (Druck, Temperatur und Gasstrom) und der Messaufbau optimiert. Es konnte dann für die untersuchten keramischen Dünnfilme die Änderung der Nichtstöchiometrie aufgrund der Änderung des Sauerstoffpartialdruckes bestimmt werden. Anschließend konnten Änderungen des Sauerstoffgehaltes in keramischen Dünnfilmen wie Strontium-dotiertes Lanthan-Cobaltat (La0.6Sr0.4CoO3-δ), undotierten und Eisen-dotierten Strotiumtitanat aufgrund der Änderung des Sauerstoffpartialdruckes bestimmt werden. Eine Massenzunahme von Eisen-dotierten Strontiumtitanat-Dünnschichten während einer Belichtung mit UV Licht konnte zum jetzigen Zeitpunkt nicht quantifiziert werden und wird weiter untersucht., The aim of the present master thesis was to investigate the influence of UV irradiation on oxygen nonstoichiometry in undoped (SrTiO3-δ) and iron-doped (SrTi0.98Fe0.02O3-δ) strontium titanate. Moreover, the impact of changes in the oxygen content on materials’ properties was examined. Due to their applicability in chemical sensors and solid oxide fuel cells (SOFCs), this mixed ionic and electronic conducting oxide material plays a crucial role in establishing emission-free technologies for power generation. Oxygen (non-) stoichiometry defines their ionic and electronic conductivity, since their defect concentration changes with the oxygen partial pressure p(O2), temperature and, as recently shown, with UV light illumination. In this thesis, three approaches have been chosen to quantify said effect of non-stoichiometry.In the first part, the influence of UV light irradiation on the incorporation of oxygen into strontium titanate, and thus on the stoichiometric change of the material is discussed. Therefore, the in-plane conductivity and its change by UV light was investigated. The measurements were carried out in a temperature range from 340 to 410 °C and different atmospheres. The oxygen partial pressure ranged between 10-4 and 1 bar. In addition, the influence of different deposited ceramic top layers, such as yttria-stabilized zirconia and strontium-doped lanthanum chromite, on the UV-enhanced oxygen incorporation was examined.The second part deals with strontium titanate thin film-based electrochemical cells, the so-called photoelectrochemical solid oxide cells (SOPEC), and the influence of UV light illumination on their open-circuit voltage. In such cells, UV light not only creates a photovoltaic, but also an electrochemical effect caused by the change in oxygen nonstoichiometry. Measurements of the open-circuit voltage were performed as a function of time and oxygen partial pressure while UV light was switched on and off. Characteristic photovoltaic and battery voltages whose magnitude is defined by measurement parameters (such as temperature and oxygen partial pressure) were quantified.For the third main topic, GaPO4 microbalances capable of detecting mass changes in the ng range were used to monitor directly the mass change of ceramic thin films during changes of the atmosphere and UV light illumination. Firstly, the measurement setup and the measurement parameters were optimized. Subsequently, the mass change of strontium-doped lanthanum cobaltate (La0.6Sr0.4CoO3-δ), undoped and iron-doped SrTiO3 during p(O2) changes were examined. The impact of UV irradiation of iron-doped strontium titanate on the oxygen content could not be quantified yet and is subject to further investigations.

The defect chemistry in the mid-band gap semiconductor SrTiO3 (STO) plays a crucial role for its properties. These can be tuned by temperature, doping, p(O2), and UV irradiation. Since UV exposure leads to the formation of photoelectrons and –holes the oxygen chemical potential of oxygen is changed. This results in an enhanced incorporation of oxygen into Fe-doped STO at elevated temperatures. In this work different approaches to investigate this phenomena are introduced. i) Oxygen compositional changes can be probed by measuring the light induced weight change using GaPO4 microbalances. ii) UV exposure and oxygen incorporation also cause a photo and a battery voltage, which can be measured in-situ. iii) Inplane conductivity measurements reveal an increase of the electron hole conductivity, as the result of Fe3+ oxidation to Fe4+. iv) This change of the Fe oxidation state additionally leads to a change in the color of Fe-doped STO from brownish/transparent to black. Two broad additional absorption bands in the region of 440 nm and 590 nm occur.

Wide band gap semi-conductors such as SrTiO3 (STO) have attracted high interest for photoelectrochemical water splitting and as part of high temperature photovoltaic cells. However, the impact of UV irradiation on the composition (e.g. the oxygen content) of STO and Fe doped STO (Fe:STO) at elevated temperatures has hardly been studied. In Fe:STO, UV exposure causes an enhanced oxygen incorporation rate and, therefore, a decreased oxygen vacancy concentration in air at elevated temperatures. In this contribution we discuss such bulk stoichiometric changes in terms of optical and electrochemical (e.g. AC conductivity) properties. Moreover, the kinetics behind the incorporation were examined, more precisely chemical diffusion coefficients obtained from UV/VIS measurements were calculated.

Wide band gap semi-conductors such as SrTiO3 (STO) have attracted high interest for photoelectrochemical water splitting and as part of high temperature photovoltaic cells. However, the impact of UV irradiation on the composition (e.g. the oxygen content) of STO and Fe doped STO (Fe:STO) at elevated temperatures has hardly been studied. In Fe:STO, UV exposure causes an enhanced oxygen incorporation rate and, therefore, a decreased oxygen vacancy concentration in air at elevated temperatures. In this contribution we discuss such bulk stoichiometric changes in terms of optical and electrochemical (e.g. AC conductivity) properties. Moreover, the kinetics behind the incorporation were examined, more precisely chemical diffusion coefficients obtained from UV/VIS measurements were calculated.