Seminarium specjalizacyjne z chemii fizycznej, 11.05.2010 Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii Jakub Socha, Chemia, 4 rok Układy hybrydowe polimerowo-półprzewodnikowe na bazie ZnO do fotoogniw słonecznych Pracownia Elektrochemii Kierownik pracy : dr hab. Magdalena Skompska

Plan Prezentacji Część teoretyczna Teoria pasmowa ciała stałego Złącze p-n Podstawowe parametry charakteryzujące fotoogniwo Zasada działania fotoogniwa Schematy budowy fotoogniwa Część eksperymentalna Otrzymywania ZnO na potrzeby ogniw słonecznych Metody badawcze Podsumowanie

Część teoretyczna Teoria pasmowa ciała stałego Złącze p-n Podstawowe parametry charakteryzujące fotoogniwo Zasada działania fotoogniwa Schematy budowy fotoogniwa

Teoria pasmowa ciała stałego przewodnik izolator półprzewodnik Polimer przewodzący LUMO Eg Eg Eg HOMO Eg=0 Eg > 3 eV 0,1 eV < Eg< 3eV 1,5eV < Eg < 3eV

Półprzewodniki typu p i n Poziom donorowy Poziom akceptorowy Typu p Typu n Np. domieszkowanie sieci krystalicznej Si(4el walencyjne) atomami As (5 el wal.) Np. domieszkowanie sieci krystalicznej Si(4el walencyjne) atomami B (3 el wal.)

Złącze p-n http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pn-junction-equilibrium.png

Parametry charakteryzujące ogniwo Wydajność energetyczna ogniwa (ŋ) Współczynnik wypełnienia [Fill factor (FF)] Wydajnosć kwantowa ogniwa [External quantum efficiency (EQE)]

Wydajność energetyczna ogniwa (ŋ) Współczynnik wypełnienia (FF)

Wydajność kwantowa ogniwa (EQE) Liczba wygenerowanych elektronów po absorpcji jednego fotonu (bez poprawki na straty związane z odbiciem) dla światła monochromatycznego przy danej długości fali λ : Zazwyczaj dużo niższa od 100% ze względu na: Niedoskonałą absorpcję padających fotonów Rekombinację par elektron-dziura przed dotarciem do elektrod zbierających

Działanie ogniw

EQE = (ŋA) (ŋdiff) (ŋsep) (ŋtr) (ŋcc) 6 etapów Absorpcja fotonu (ŋA) Generacja pary elektron-dziura w materiale fotoaktywnym Dyfuzja ekscytonów w materiale fotoaktywnym (ŋdiff) Dysocjacja ekscytonów i separacja dziur i elektronów pomiędzy dwie warstwy(ŋsep) Transport dziur i elektronów do elektrod(ŋtr) Gromadzenie dziur i elektronów na elektrodach(ŋcc) EQE = (ŋA) (ŋdiff) (ŋsep) (ŋtr) (ŋcc)

Ogniwo Gretzela http://en.wikipedia.org/wiki/File:Dye_Sensitized_Solar_Cell_Scheme.png

Standard Test Condisions (STC) Maksimum absorpcji promieniowania światła widzialnego przypada w obszarze 450-600 nm ZnO silnie absorbuje w nadfiolecie, zatem nie nadaje się do użycia w ogniwach fotowoltaicznych jako materiał fotoczuły!!

Procesy niepożądane Rekombinacja ekscytonów - ścieżka dłuższa niż droga dyfuzji - ogniwa z nanomateriałów dobrze pokrytych polimerem Rekombinacja dziur i elektronów duże różnice mobilności dziur i elektronów w warstwach transportujących dobór odpowiednich materiałów

Schematy ogniw Bilayer system Vertically ordered

Część eksperymentalna Cel pracy Metody badawcze

Polimery przewodzące Organiczne półprzewodniki typu p o przerwie energetycznej w zakresie 1,5 – 3 eV Mogą pełnić funkcję zarówno materiału fotoaktywnego jak i nośnika dziur Bardzo wysoka zdolność absorpcji optycznej Niska wydajność energetyczna dla ogniw czysto polimerowych (ŋ ~ 10-2 %)

Przykładowe polimery używane w ogniwach

Porównanie właściwości niektórych polimerów przewodzących EQE = (ŋA) (ŋdiff) (ŋsep) (ŋtr) (ŋcc) Dobór właściwego polimeru ma kluczowe znaczenia dla wydajności kwantowej ogniwa!

Metody otrzymywania nanostruktur ZnO Metody chemiczne Hydrotermalna Sputtering Osadzanie z roztworów Metody elektrochemiczne Stałoprądowe Pulsowe

Elektrochemiczna Metody elektrochemiczne pozwalają nam poprzez dobór odpowiednich warunków prowadzenia procesu na kontrolę wielkości, długości nanorurek oraz stopnia pokrycia aktywnej powierzchni. Parametry które mają wpływ na otrzymywany materiał to: Rodzaj użytej elektrody (powierzchnia) Czas osadzania Temperatura podczas procesu Przyłożony potencjał Stężenie tlenu w roztworze Wygrzewanie próbki po procesie elektrochemicznym pH

Wpływ wygrzewania Próbki po przeprowadzeniu procesów elektrochemicznego osadzania poddaje się procesowi wygrzewania w wysokich temperaturach. Poprawia to jakość ich sieci krystalograficznej, w przypadku polimerów wpływa również na wzrost efektywności dysocjacji ekscytonów. Wzrost ŋ z 1.1% - 5 % po wygrzaniu ogniwa P3HT-PCBM

Z wykorzystaniem matrycy Metoda uniwersalna Różne matryce (tlenek glinu, poliwęglanowe) Procesy chemiczne i elektrochemiczne Możliwość dobrej kontroli rozmiarów nanodrutów Journal of Crystal Growth Volume 265, Issues 1-2, 15 April 2004, Pages 184-189 Grupa chińskich badaczy opisuje tworzenie struktur tlenku cynku w matrycach z nanorurek węglowych

Dlaczego zależy nam na nanodrutach??

Główne problemy: Otrzymanie struktur odpowiednich rozmiarów Maksymalne pokrycie nanostruktur polimerem Trwałość Wydajność

Metody badawcze XRD SEM – EDX AFM, STM Metody elektrochemiczne Spektroskopia (UV-VIS, IR, RAMAN)

XRD

Podsumowanie: Ogniwa dye-sensitized solar cell (DSSC ) ze względu na swój korzystny stosunek ilości energii do ceny mają szansę na stałe wejść do komercyjnego użycia Główne problemy to zwiększenie wydajności, największe możliwości daje otrzymanie odpowiedniej sturktury materiału półprzewodnikowego W swojej pracy magisterskiej zajmę się syntezą nanodrutów z ZnO oraz doborem odpowiedniego barwnika w celu optymalizacji pracy ogniwa i uzyskaniu jak największej wydajności konwersji energii słonecznej

Dziękuję za uwagę