1 Seminarium specjalizacyjne z chemii fizycznej, 11.05.2010Uniwersytet 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

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

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

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

5 Półprzewodniki typu p i nPoziom 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.)

6 Złącze p-n

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

8 Wydajność energetyczna ogniwa (ŋ)Współczynnik wypełnienia (FF)

9 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

10 Działanie ogniw

11 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)

12 Ogniwo Gretzela

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

14 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

15 Schematy ogniw Bilayer system Vertically ordered

16 Część eksperymentalnaCel pracy Metody badawcze

17 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 %)

18 Przykładowe polimery używane w ogniwach

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

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

21

22 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

23

24

25

26 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

27 Z wykorzystaniem matrycyMetoda 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 Grupa chińskich badaczy opisuje tworzenie struktur tlenku cynku w matrycach z nanorurek węglowych

28 Dlaczego zależy nam na nanodrutach??

29 Główne problemy: Otrzymanie struktur odpowiednich rozmiarówMaksymalne pokrycie nanostruktur polimerem Trwałość Wydajność

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

31 XRD

32 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

33 Dziękuję za uwagę