WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«Затиростами Ахмад Хасан ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КАРБИДЕ КРЕМНИЯ ...»

На правах рукописи

УДК 621.383.06:621.391.94

Затиростами Ахмад Хасан

ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ

КАРБИДЕ КРЕМНИЯ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Душанбе – 2017

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. С.У.Умарова Академии наук Республики Таджикистан Научные руководители: зав. отделом наноматериалов и нанотехнологий ФТИ им. С.У.Умарова АН РТ, член-корреспондент АН Республики Таджикистан, доктор физико-математических наук, профессор Муминов Хикмат Халимович, зав. лабораторией физики кристаллов ФТИ им .

С.У.Умарова АН РТ, кандидат химических наук, доцент Холов Алимахмад

Официальные оппоненты: Гапоненко Николай Васильевич доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией нанофотоники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники Кадыров Абдулахат Лакимович – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электроники Худжандского госуниверситета им. акад. Б. Гафурова

Ведущая организация: Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими, г. Душанбе

Защита диссертации состоится « 23 » мая 2017 года в 1300 на заседании Объединенного диссертационного совета ДМ 737.004.10 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Таджикском национальном университете, Физико-техническом институте им С.У.Умарова АН РТ по адресу: 734025 Республика Таджикистан, г. Душанбе, проспект Рудаки 17, факс (992-372)214884, e-mail: tgnu@mail.ru .

Зал заседаний Ученого совета ТНУ .

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке и на сайте Таджикского национального университета www.tnu.tj .

Автореферат разослан « ____» _______________2017 г .

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 737.004.10, кандидат физико-математических наук, с.н.с. Табаров С.Х .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одна из задач физики конденсированного состояния заключается в создании новых материалов и структур с заданными свойствами для практического использования. Для Республики Таджикистан с его ограниченными углеводородными запасами, и в целом, в мире, по мере углубления и развития энергетическогокризиса, все более актуальной становится проблема разработки новых технологий в использовании солнечной энергии и создания дешевых и высокоэффективных солнечных элементов на основе новых материалов и структур .

Нанотехнологии предлагают новые и интересные методы для решения проблемы создания эффективных наноструктурных солнечных элементов .

Как известно, наиболее распространенными являются солнечные элементы на основе кремния, а также арсенида галлия, селенида кадмия и ряда других полупроводниковых материалов. В последние годы приобретают большую популярность фотоэлементы на основе органических полупроводников материалов, например, оранжевого азокрасителя .

Однако имеется проблема эффективного использования потока солнечного света по всему диапазону длин волн спектра солнечного излучения при преобразовании в электрическую энергию. Решение этой проблемы видится в создании наноструктур на поверхности фотоэлемента, которые позволяют максимально использовать поток солнечной энергии .





Одной из проблем крупномасштабного производства является необходимость получения однородных и гладких плёнок на большой площади, эффективно поглощающих солнечную радиацию .

Наноструктурированные покрытия позволяют решить эту комплексную проблему и повысить эффективность солнечных элементов, благодаря увеличению количества поглощаемого света, а также увеличению переноса заряда свободных носителей .

Для эффективного использования вышеуказанных преимуществ нанотехнологий, которые повышают эффективность наноструктурных солнечных элементов, в данном исследовании, на основании анализа физических и технологических особенностей получения кремния и карбида кремния (процесс золь-гель для синтеза карбида кремния), разработана технология получения наноструктурированного порошка карбида кремния при непрерывном наблюдении и анализе происходящих процессов, проведены исследования физических свойств полученных материалов и анализ оптимальной технологии их получения, в результате чего изготовлены наноструктурированные солнечные элементы на их основе .

Цель диссертационной работы заключается в создании сенсибилизированного красителем оптимизированного солнечного элемента с наноструктурированным покрытием на основе нанопорошка карбида кремния, синтезированного методом золь-гель, для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую .

Основные задачи исследования:

1. Разработка технологии получения наноструктурированного карбида кремния с заданными параметрами на основе метода золь-гель .

2. Исследование физических свойств полученных материалов и структур .

3. Создание сенсибилизированных красителем солнечных элементов с повышенной эффективностью на основе полученного наноструктурированного карбида кремния и диоксида титана и исследование их основных параметров .

Реализация результатов исследования. Проведено сравнение известных наноструктурированных солнечных элементов на основе карбида кремния, а также исследован ряд особенностей процесса золь-гель для синтеза нанопорошка карбида кремния. На этой основе разработана эффективная и малозатратная технология получения нанопорошков карбида кремния методом золь-гель. Проведено исследование нанопорошковых образцов карбида кремния в процессе получения, а также после их отжига при различных температурах с целью получения нанокристаллов различных размеров и определения наиболее оптимальных их размеров. Физические свойства полученных образцов исследовались с использованием современных способов и методов (сканирующей и силовой электронной микроскопии, рентгенофазного анализа и инфракрасной Фурьеспектроскопии). Проведен анализ физических принципов создания наноструктурированных солнечных элементов и принципов их работы .

Созданы сенсибилизированные красителем солнечные элементы без рассеивателей света, а также с наноструктурными рассеивателями на основе диоксида титана и диоксида титана/карбида кремния и проведена оценка их эффективности .

Научная новизна работы

1. Впервые методом золь-гель получен при непрерывном контроле нанокристаллический карбид кремния требуемой структуры и размеров наночастиц для использования в солнечных элементах .

2. Получены наноструктурированные рассеивающие слои (световые ловушки) на основе нанокристаллического карбида кремния и диоксида титана, которые служат для увеличения эффективности поглощения солнечного излучения фотоэлементом .

3. Обосновано использование нанокристаллического карбида кремния и диоксида титана в качестве рассеивателей света для увеличения эффективности солнечных фотоэлементов .

4. Определены плотность тока, ток короткого замыкания и напряжение холостого хода для образцов солнечных элементов, сенсибилизированных красителем, с рассеивающим наноструктурным слоем из карбида кремния и без этого слоя .

5. Определены фактор заполнения и эффективность сенсибилизированных красителем наноструктурных солнечных элементов. Показано увеличение эффективности солнечного элемента при использовании наноструктурированного рассеивающего слоя на основе нанокристаллического карбида кремния благодаря многократному рассеянию и эффективному увеличению оптического пути световых лучей .

Достоверность полученных результатов и выводов в работе обеспечивается применением широко известных методик и установок, используемых в научных исследованиях, применением технологий и методов получения наноструктурных материалов для реализации поставленных задач .

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных технологий и принципов создания материалов и приборных элементов на основе наноструктурированного карбида кремния для получения высокоэффективных солнечных элементов .

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проведены экспериментальные исследования влияния технологических факторов синтеза наноструктурированных покрытий с использованием нанокристаллического карбида кремния и диоксида титана на физические параметры солнечного элемента, изготовленного на их основе .

Определены оптимальные режимы формирования наноструктурированных покрытий, позволяющие получить структуры, обеспечивающие наибольшую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую .

2. Усовершенствована технология золь-гель синтеза нанопорошка карбида кремния при постоянном контроле состава исходных материалов, а также структуры синтезированных образцов, их текстуры и пористости методами сканирующей электронной и атомной силовой микроскопии, а также инфракрасной Фурье-спектрометрии .

3. Разработана технология получения нанокристаллического порошка карбида кремния методом отжига, проведена оптимизация режима отжига с целью обеспечения формирования оптимальных размеров нанокристаллов карбида кремния методами рентгеновской дифрактометрии .

4. Впервые созданы сенсибилизированные красителем солнечные элементы с использованием наноструктурированных рассеивающих слоёв, сформированных на основе нанокристаллического порошка карбида кремния, полученного методом золь-гель и последующим отжигом, с добавлением диоксида титана, позволяющего увеличить эффективность солнечных элементов .

5. Определена эффективность созданных солнечных элементов, их вольт-амперные характеристики и факторы заполнения. Показан существенный рост эффективности наноструктурированных солнечных элементов с рассеивающими слоями (до 5.4%) благодаря эффективному увеличению оптического пути световых лучей при многократном рассеянии .

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором диссертации .

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следущих семинарах и конференциях: Международной научно-практической конференции «Комплексный подход к использованию и переработке угля», Душанбе, 4-7 июня 2013 года, Международной конференции по физике конденсированного состояния, посвященной 85летию академика А.Адхамова, Душанбе, 15-17 октября 2013 года, Международной научной конференции «НАНО-2014», посвящённой 90летию столицы Республики Таджикистан города Душанбе, 25 декабря 2014 года, ТНУ, а также на физическом семинаре Физико-технического института им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан (2011-2016 г.г.) .

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 7 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации .

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований. Работа изложена на 113 страницах основного текста, а также содержит 35 рисунков, 15 таблиц, 33 диаграммы .

Ключевые слова: наноструктурированный солнечный элемент, фотовольтаика, карбид кремния, метод золь-гель, сенсибилизированный красителем фотовольтаический элемент .

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель диссертационной работы, поставлены основные задачи, раскрыта научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту .

В первой главе дан анализ современного состояния и перспектив развития солнечной электроэнергетики на основе полупроводниковых материалов. Рассмотрено состояние проблемы получения наноструктурированных полупроводниковых материалов в качестве базовых материалов солнечных элементов .

Одним из перспективных материалов являются наноструктурированные материалы на основе нанокристаллического карбида кремния, полученного с использованием различных малозатратных технологических процессов и приемов. Дан литературный обзор по технологическим процессам метода золь-гель для синтеза карбида кремния и других соединений, выявлены основные проблемы технологии получения наноматериалов и нанопленок, разработан ряд рекомендаций с целью усовершенствования технологии получения наноструктурных материалов .

Показано, что наноструктурные слои создают три важных преимущества в тонкослойных солнечных элементах:

1. Вследствие процессов многократного рассеяния в наноструктурированных слоях покрытия солнечного элемента эффективная длина оптического пути оказывается большей, чем фактическая толщина пленки, что обеспечивает высокие показатели поглощения потока солнечной радиации .

2. Толщина поглощающего слоя в наноструктурах может достигать сотен нанометров, тогда как в обычных тонкослойных солнечных элементах эта толщина составляет несколько микрон .

3. Путем варьирования размеров и формы наночастиц, а также оптимизации их расположения можно создавать условия для максимального поглощения падающего излучения .

Вторая глава посвящена анализу физических процессов, происходящих в наноструктурированных солнечных элементах, реализующих внутренний фотовольтаический эффект. Приведены сведения о методах исследования фотоэлектрических характеристик солнечных элементов, а так же коэффициенте заполнения и эффективности преобразования солнечной энергии в солнечных элементах, потерях энергии в идеальных и реальных солнечных элементах. Обсуждаются физические принципы преобразования энергии фотона в полупроводниковых p-n переходах .

Глубокое понимание природы фотовольтаического эффекта в наноструктурированных солнечных элементах с p-n переходом способствует поиску путей повышения эффективности этого типа элементов, и, таким образом, позволяет снизить себестоимость солнечного элемента, и тем самым, снизить стоимость получаемой энергии .

Третья глава посвящена разработке технологической цепочки получения наноразмерных порошков карбида кремния методом золь-гель и дальнейшего отжига с целью получения нанокристаллического порошка .

Полученные нанопорошки исследовались методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и атомной силовой микроскопии (AСM) .

Отжигая или нагревая сырье и снимая изображение поверхности СЭМ с увеличением 101 - 105 и разрешением 3 - 100 нм можно наблюдать форму частиц. Для исследования формы частицы и для анализа поверхности структуры, использовался сканирующий электронный микроскоп модели LEO1455VP, Великобритания .

Методами СЭМ и АСМ исследованы образцы нанопорошка карбида кремния, отожженного при температурах 500оC, 700оC, 900оC и 1000оC .

Исследуя изображения, полученные сканирующей электронной микроскопией, было обнаружено, что рост наноразмерных частиц происходит при температурах превышающих 900°C. Размеры синтезированных частиц SiC находятся в узком диапазоне 20 - 28 нм, при переходе от 500оC к 1000оC они принимают сферическую форму, их дифракционная характеристика показывает, что синтезированные порошки являются поликристаллическими и они точно агрегированы в нанометрическом масштабе .

По полученным атомно-силовой микроскопией изображениям порошка SiC, по мере увеличения температуры отжига нанопорошка от 500oC до 1000oC, мы пришли к следующим заключениям:

1. Средняя шероховатость поверхности (по оценке стандартного отклонения профиля), средняя высота пика на поверхности, средняя глубина долин ниже основного профиля шероховатости уменьшается .

2. Уменьшается уровень пористости. Такая поверхность подходит для использования в сенсибилизированных красителем (цветовых) солнечных элементах .

3. Величина пиков или долин уменьшается, это означает что, среди частиц, найденных на поверхности, нет никаких случайных заостренных пиков .

4. Неизотропность текстуры поверхности увеличивается .

5. Увеличивается поверхностный коэффициент отражения. При температуре отжига в 500oC уровень шероховатости поверхности достаточно высок, но при температуре отжига в 1000oC поверхностный коэффициент отражения повышается .

6. Поверхностный фактор шероховатости уменьшается. Другими словами, получается относительно более гладкая поверхность .

При температуре отжига в 1000oC, по полученным АСМ изображениям видно, что нанопорошок карбида кремния представляет собой близко сцепленные нанокристаллические частицы. Поверхностный фактор шероховатости составляет 2.7%, далее он может использоваться для определения оптических свойств. В дополнение к повышению поглощения света в молекуле, увеличение поверхностной шероховатости вследствие диффузии приводит к слабому преломлению на пористой поверхности. И, соответственно, коэффициент поглощения, особенно в областях спектра с минимальным поглощением, увеличивается .

Анализ поглощения излучения с использованием инфракрасной Фурье-спектроскопии .

Методами инфракрасной спектроскопии, которая основана на исследовании радиационного поглощения и зондировании изменений колебаний молекул и ионов, исследован процесс кристаллизации наночастиц .

Связь C-C обладает частотой поглощения 1200 см-1, двойная связь C = C имеет частоту поглощения 1650 см-1, а тройная связь C C – 2150 см-1 .

Перемещение на изгиб легче, чем на растяжение. Например, на изгиб связь C-H дает вклад в область 1340 см-1, а на растяжение C-H дает вклад в область 3000 см-1. Тип гибридизации также влияет на частоты поглощения .

В диапазоне от K = -1 = 600 см-1 до 1400 см-1, из-за ограниченного количества поглощаемой энергии колебаниями на сгиб, большинство молекулярных связей сложны и переполнены, и поэтому идентификация всех поглощающих связей в этой области затруднена. Другими словами, эта область является особенной .

Связи в области от K = -1 = 600 см-1 до 1400 см-1 наибольшим образом поглощают энергию, главным образом из-за колебаний на растяжение в более сильных связях .

Анализ ИК Фурье-спектров привел к следующим результатам:

1. По мере роста температуры отжига, для волнового числа K = -1 =

478.31 см-1, поглощение падает (от 90% при 500oC, до 27% при 1000oC). С другой стороны, на поглощающей частоте (или длине волны), наблюдается связь Si-О-Si. Эта связь является результатом реакций гидролиза и конденсации алкоксида кремния .

2. Эмиссия SiC происходит в области длины волны 11.3 мкм или области волнового числа 884.95 см-1. Сравнивая эти спектры, можно сделать вывод, что при K = -1 = 825.48 см-1, имеется связь Si-C, которая является результатом соединения атомов углерода в среде уксусной кислоты и этанола со связью Si в гидролизированной и конденсированной жидкой фазе тетраэтила ортосиликата (SiC8H20O4). Кроме того, сравнивая спектры, мы можем прийти к заключению, что, по мере роста температуры отжига также увеличивается поглощение вследствие формирования SiC .

3. Для K = -1 = 1087.78 см-1, в диапазоне от 500oC до 700oC из-за двойной связи C = O, поглощение растет. Однако, в диапазоне 700oC oC, из-за формирования одинарной связи C-O, поглощение быстро падает. При этой частоте поглощения, при всех указанных температурах, связь Si-O идентифицируется, она появляется из-за реакции гидролиза и конденсации алкоксида кремния .

Рис. 1. Типовые инфракрасные Фурье-спектры нанопорошка SiC, отожженного при температуре 1000oC

4. Для K = -1 = 2337.56 см-1, поглощающие связи обладают большей энергией, которая появляется, вообще, из-за колебаний на растяжение сильных связей (область групповых частот) .

Для K = -1 = 1380.94 см-1 идентифицируются связи C-C и C-O, для волнового числа K = -1 = 1535.23 см-1 – двойные связи C = C, и частоте поглощения K = -1 = 2923.38 см-1 – C-H .

Определение размеров частиц карбида кремния методом рентгенофазного анализа Для определения размера наночастиц нанопорошка карбида кремния методом рентгенофазового анализа (РФА), использовалось уравнение Вильямсона-Холла cos = (K /d) + 2sin (1) Здесь K = 0.94 - постоянная Шеррера, d - размер наночастицы в ангстремах, =1.5406 (длина рентгеновской волны), - пиковая полуширина спектра в радианах, - Брэгговский угол, в радианах. Для определения размеров наночастиц, отожженных при различных температурах, использовалось устройство Philips Xpert, производства Голландии. Рентгеновским излучателем этого устройства является Cu-K с длиной волны 1.54 .

Рис. 2. Диаграмма РФА нанопорошка SiC при температуре отжига 500oC

РФА отожженного при температуре 500oC порошка SiC показывает, что основные пики порошка SiC формируются под углами рассеяния 35.7720, 60.0540, и 71.8680. Эти углы принадлежат фазе -SiC (рис. 2). Согласно диаграмме (рис. 2), размеры наночастиц, определяемые сравнительно большими первым, третьим и четвертым пиками, приведены на рис. 3 .

Ломаная линия экспериментальная. Сплошная линия получена с использованием уравнения Дебая-Шеррера .

Рис. 3. Подогнанная диаграмма спектра РФА от нанопорошка SiC (температура отжига 500oC) при угле дифракции 35.770 РФА порошка SiC, отожженного при температуре 700oC, показывает, что основные пики формируются под углами рассеяния 71.940, 60.1940,

35.9130. Эти углы все принадлежат фазе -SiC .

РФА отожженных порошков SiC при температуре 900oC показывает, что основные пики формируются под углами рассеяния 35.860, 41.320, 60.10,

71.70 и 77.5120 от плоскостей дифракции (111), (200), (220), (311), (222), все они принадлежат фазе -SiC. Сканирующая электронная микроскопия показала, что размер вероятных образовавшихся агломератов несколько меньше 50 нм. Однако РФА порошка SiC, отожженного при температуре 900oC, указывает на дополнительный пик при угле рассеивания 22.7440, что предполагает формирование кремниевой фазы. Другими словами, при увеличении температуры отжига от 700oC до 900oC, кремниевая фаза восстанавливается .

РФА порошков SiC, отожженных при температуре 1000oC, показывает, что основной пик формируется при углах рассеяния 36.000, 60.3300 и 72.400 (рис. 4). Эти углы принадлежат фазе -SiC. СЭМ показывает, что наночастицы порошка, синтезированного при 1000oC, обладают равным поперечным сечением в 20 нм. Однако РФА порошка SiC, отожженного при температуре 1000oC, показывает дополнительный пик при угле рассеивания 21.10, который появляется из-за формирования кремниевой фазы. Таким образом, установлено, что по мере роста температуры отжига от 900oC до 1000oC кремниевая фаза восстанавливается .

Рис. 4. Диаграмма РФА нанопорошка SiC (температура отжига–1000oC)

Согласно диаграммам РФА отожженных при 500°C и 700°C образцов, замечены прозрачные фазы -SiC или 3C-SiC. Исходя из полученных диаграмм РФА, можно сделать заключение, что, по мере роста температуры отжига интенсивность пиков слабеет. Это явление отражают медленную реакцию формирования SiC по мере роста температуры. С ростом температуры отжига, некоторые пики становятся остроконечными, то есть полуширина пиков уменьшается и, согласно уравнению Дебая-Шеррера, происходит увеличение размеров частиц и их кристаллизация. Это явление было подтверждено анализом с использованием программы X-Powder .

Сдвиги пиков не наблюдались, то есть фазовый переход не наблюдается .

Пик, соответствующий фазе Si, начинает расти при 900°C и увеличивается при 1000°C (табл.1) .

–  –  –

Исследование природы отожженных образцов SiC в различных состояниях .

1. Смесь: при анализе смеси Si и C, используя РФА, мы пришли к заключению, что, при более низких температурах большая часть фазы Si восстанавливается. Однако, при этой температуре углеродные нанотрубки будут также восстановлены (рис. 5) .

–  –  –

2. Спекание: При спекании Si и C, выдерживая образец при 1200°C в течение 2 минут, выявлено, что в дополнение к восстановлению Si и углеродных нанотрубок, карбид кремния также восстановливается .

Рис. 6. Рентгенодифрактограмма образца, промытого в KOH

3. Отжиг: При отжиге образца в течение 2 часов при 700°C установлено, что фаза углеродных нанотрубок отсутствует, и только фазы Si и SiC восстановлены .

4. Промывка: 100 г гидроксида калия разбавляется в 250 мл дистиллированной воды. После охлаждения и достижения температуры окружающей среды ее доля была увеличена до 1 литра добавлением этанола .

Полученный раствор гидроокиси калия является моющим раствором. Далее образец промывали в растворе гидроксида калия (рис. 6) На полученных дифрактограммах образцов было обнаружено что, интенсивность полученных пиков значительно понизилась. Другими словами, процесс формирования замедлился, осталась только восстановленная фаза SiC. Таким образом, только SiC был сформирован после промывки. А фазы Si и углеродные нанотрубки удалены, а это означает, что этим путем можно получить чистый SiC .

В четвертой главе рассматривается создание наноструктурированных солнечных элементов на основе полученного нанокристаллического SiC .

Наноструктурированные солнечные элементы на основе SiC, относятся к солнечным тонкопленочным элементам и к третьему поколению семьи фотоэлектрических элементов. Фотоэлектрические процессы в наноструктурированных солнечных элементах SiC подобны имитации процессу фотосинтеза в растениях. В этих элементах процесс передачи электрона и производства электроэнергии основан на фотоэлектроннохимическом механизме. В этом процессе поглощение света происходит при использовании молекул красителя на основе рутениевых комплексов марки 719), адсорбированных на поверхности (краситель N нанокристаллического полупроводника TiO2-SiC .

Для изготовления фотоанода солнечного элемента, применена технология доктора Блэйда, в котором использована паста карбида кремния с диоксидом титана. Процессы производства элемента (рис.

7) включают несколько стадий:

1. Подготовка анода. 2. Подготовка катода. 3. Герметизация наноструктурного солнечного элемента SiC .

Определены основные характеристики изготовленных солнечных элементов, такие как диаграмма плотности тока-напряжение (вольт-амперная характеристика), ток короткого замыкания JSC, напряжение холостого хода VOC, фактор заполнения FF, эффективность элемента под действием излучения 1.5AM (100мВ/м2), или, по модели Palm, определен режим работы прибора под солнечным излучением 1.5 AM, используя имитатор солнца .

Для вычисления эффективности на единицу площади наноструктурного SiC солнечного элемента используем уравнение Vm I m / A Vm v J M mA / cm2 / A( efficiency / cm ) * 100 (2) Pin Pin mW Рис. 7. Рабочая схема наноструктурных солнечных элементов SiC, использующих в качестве активатора рутениевый краситель N719

Фактор заполнения можно вычислить следующим образом:

Vm ( I m / A) Vm ( v ) * J m ( mA / cm2 ) FF (3) Voc ( I sc / A) Voc( v ) * J sc ( mA / cm2 ) Исследуя наноструктурные солнечные элементы TiO2-SiC, установлено, что напряжение холостого хода составляет 360 мВ (рис. 8), а плотность тока короткого замыкания равна 0.024мA/cм2. Полученные слои TiO2-SiC не дают хорошую прозрачность, несмотря на их хорошую проводимость. Причина непрозрачности слоев в слабом окислении. Фактор заполнения FF=0.35391 относительно низок. Эффективность, полученная в этом случае, равна =0.3058% и считается низкой. Хотя эффективность низка, но с учетом наноразмерных масштабов, даже такое небольшое количество тока, следующее из низкой эффективности, может обеспечить мощность, необходимую многим наноэлектронным устройствам .

Применение наночастиц SiC для рассеяния света. В этой части исследования наночастицы SiC используются для рассеивания света на поверхности наноструктурированного солнечного элемента на красителе .

Наночастицы SiC рассеивают свет во внешней части, и, отражая, улавливают свет внутри ловушки, тем самым увеличивая длину оптического пути в активном слое, состоящем из наночастиц TiO2-SiC и молекул красителя, а также обеспечивают большую поверхность, способствуя поглощению света .

Рис. 8. Зависимость плотности тока от напряжения в наноструктурном солнечном элементе SiC Согласно рис. 9, мы приходим к заключению, что при использовании рассеивателей на основе TiO2, напряжение холостого хода (пересечение кривой с горизонтальной осью) составляет 0.69 В, а плотность тока короткого замыкания (пересечение кривой с вертикальной осью) составляет

10.57 мA/cм2. Исходя из формул (2) и (3) видно, что фактор заполнения оказывается относительно низким и составляет 0.647409. Использование наночастиц TiO2 в качестве рассеивателей в наноструктурном солнечном элементе на красителе дает эффективность =4.72175%, то есть более высокую по сравнению с предыдущим случаем без использования рассеянного света .

При использовании рассеивателей света на основе TiO2-SiC, установлено, что напряжение холостого хода составляет 0.67 В, а плотность тока короткого замыкания достигает 12.81 мA/cм2 (см. рис. 9). Фактор заполнения составляет 0.632551. Эффективность солнечного элемента на красителе с использованием наночастиц TiO2-SiC в качестве рассеивателей света в наноструктурированном солнечном элементе составляет =5.428992%, что значительно превышает эффективность солнечного элемента как без рассеивателей света, так и в случае использования наночастиц TiO2 в качестве рассеивателей света. Увеличение эффективности и тока солнечных элементов с рассеивателями на основе TiO2-SiC, по сравнению с солнечным элементом на основе TiO2 происходит из-за большего отражения .

Сравнительные данные по основным характеристикам всех трех типов разработанных и исследованных солнечных элементов, которые включают наноструктурный солнечный элемент SiC, наноструктурный солнечный элемент с рассеивателями на основе TiO2 и наноструктурный солнечный элемент, использующий рассеиватели света на основе TiO2-SiC, приведены в таблице 2 .

Рис. 9. Зависимость поверхностной плотности тока от напряжения в наноструктурном солнечном элементе с рассеивателем на основе TiO2 (нижняя кривая) и TiO2-SiC (верхняя кривая) Таблица 2. Сравнение напряжения холостого хода Voc, тока короткого замыкания Jsc, фактора заполнения FF и эффективности

–  –  –

Исследование диффузионного коэффициента отражения (ДКО) и эффективности преобразования энергии фотонов в ток (ЭПЭФТ) в наноструктурных солнечных элементах SiC со слоями, рассеивающими свет .

Проведен анализ спектров диффузионного коэффициента отражения слоев, рассеивающих свет, при данной длине волны, в наноструктурных солнечных элементах (рис. 10). Обнаружено, что величина коэффициента отражения рассеянного света слоями диоксида титана (приблизительно равного 13%, в диапазоне длин волн 250-880 нм), намного меньше, чем величина коэффициента отражения диффузионного света слоями диоксида титана - карбида кремния (приблизительно равного 68%, в диапазоне длин волн 250-880 нм) .

Процентное увеличение коэффициента рассеяния отраженного света слоями, приводит к улучшению управления светом в чувствительном слое красителя. Поэтому, использование слоя TiO2-SiC рассеивающего свет приводит к увеличению светового потока, благодаря многократному рассеянию, и, таким образом, повышению эффективности солнечных элементов .

Эффективность преобразования энергии фотонов в ток, или квантовая эффективность, равна отношению числа фотонов, приводящих к производству электрона во внешнюю цепь, к полному числу фотонов от монохроматического источника света

–  –  –

Рис. 10. Диффузионный спектр коэффициента отражения слоев в наноструктурном солнечного элемента с рассеивателем на основе TiO2 (нижняя кривая) и TiO2-SiC (верхняя кривая) Рис. 11. Зависимость эффективности преобразования энергии фотонов в ток от длины волны в наноструктурных солнечных элементов с рассеивателями света на основе TiO2-SiC (нижняя кривая) и TiO2 (верхняя кривая) Увеличение эффективности преобразования энергии фотонов в ток при добавлении TiO2 и TiO2-SiC в качестве рассеивателей света (рис. 11) в наноструктурном солнечном элементе, может означать, что интенсивность света, с добавлением TiO2-SiC увеличивается больше, по сравнению с тем, случаем, когда добавлен только TiO2. Поэтому, с добавлением TiO2-SiC создается большее число электронов, что приводит к увеличению тока. Этот фактор приводит к увеличению эффективности наноструктурного солнечного элемента SiC благодаря рассеянию света в солнечном элементе .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Технология золь-гель синтеза нанопорошка карбида кремния отличается высокой чистотой получаемого материала, а также однородностью размеров получающихся наночастиц (20-28 нм). В данной работе проводился синтез наноструктурированного порошка карбида кремния с целью его использования в солнечных батареях. Сканирующей электронной и атомной силовой микроскопией проводился контроль морфологии, текстуры поверхности и пористости, что при непрерывном контроле состава исходных материалов, позволяет оптимизировать процесс синтеза нанопорошка карбида кремния с требуемыми характеристиками .

2. Методами инфракрасной Фурье-спектроскопии в процессе синтеза нанопорошка карбида кремния методом золь-гель в частности было установлено, что при волновом числе K =-1=478.31 см-1, при увеличении температуры отжига, поглощающая способность понижается. Эмиссия SiC имеет место в области длины волны 11.3 мкм, то есть в области волнового числа 884.95см-1. Из сравнения со спектром при K = -1 = 825.48 см-1, видно, что наблюдается формирование связи Si-C, которая является результатом соединения атомов углерода в среде уксусной кислоты и этаноле с кремнием в гидролизованном и конденсированном жидком тетраэтилортосиликате (SiC8H20O4). Поэтому, сравнивая спектры, мы можем прийти к заключению, что с ростом температуры отжига поглощение также растет из-за появления связей Si-C .

3. Разработана технология получения нанокристаллического порошка карбида кремния методом отжига, проведена оптимизация режима отжига (температуры и времени отжига) при контроле размеров и гомогенизации фазы наночастиц карбида кремния методами рентгеновской дифрактометрии .

Выявлено, что по мере роста температуры отжига от 500oC до 700oC наблюдается фаза -SiC, а при увеличении температуры отжига до 900oC начинает восстанавливаться кремниевая фаза. Рентгенодифрактограмма образцов порошка SiC, отожженного при температуре 1000oC, показывает наличие фазы -SiC, наночастицы которого имеют одинаковый размер около 20 нм, и дополнительный пик, вследствие формирования фазы кремния. То есть по мере роста температуры отжига от 900oC до 1000oC, кремниевая фаза стабильно восстановливается. Рентгенодифрактограмма показывает, что по мере роста температуры интенсивность пика слабеет. Этот факт отражает медленную реакцию формирования SiC по мере увеличения температуры отжига. С ростом температуры отжига некоторые пики становятся остроконечными, то есть полуширина пиков уменьшается, и согласно уравнению Дебая-Шеррера, увеличиваются размеры частиц и происходит их кристаллизация. Поскольку смещения пиков не наблюдаются, то нет фазовых переходов. Пик, соответствующий фазе кремния, начинает расти при 900°С и увеличивается при 1000°C .

4. Впервые созданы сенсибилизированные красителем солнечные элементы на основе наноструктурированного порошка карбида кремния, полученного методом золь-гель. В созданном наноструктурированном SiC солнечном элементе напряжение холостого хода составляет 360 мВ, а плотность тока короткого замыкания - 0.024мA/cм2. Выявлено, что, несмотря на хорошую проводимость слоев SiC, они не обладают достаточной прозрачностью. Непрозрачные слои образуются из-за слабого окисления .

Вследствие этого фактор заполнения оказался равен FF=0.35391, а эффективность составила = 0.3058%, что крайне низко .

5. С целью увеличения эффективности, созданы солнечные элементы с рассеивающими слоями на основе диоксида титана и диоксида титана с карбидом кремния. В частности, при использовании тонких прозрачных слоёв диоксида титана в качестве рассеивателей установлено, что напряжение холостого хода равно 0.69 В, плотность тока короткого замыкания - 10.57 мA/cм2, фактор заполнения при использовании TiO2 равен FF=0.647409, и эффективность составляет 4.72175%, что выше случая отсутствия рассеивающего слоя. При использовании в солнечном элементе из наноструктурированного карбида кремния рассеивающих слоев из TiO2– SiC установлено, что напряжение холостого хода составляет 0.69 В, плотность тока короткого замыкания - 12.81мA/cм2, фактор заполнения равен FF =0.632551, эффективность составила =5.428992%, что указывает на существенный рост эффективности при введении рассеивающего слоя из диоксида титана с карбидом кремния .

6. Таким образом, определены условия увеличения эффективности наноструктурированных солнечных элементов на основе SiC при использовании цветового слоя благодаря световым ловушкам из рассеивающих слоев TiO2–SiC. Анализ спектров диффузионного коэффициента отражения слоев, рассеивающих свет, в диапазоне длин волн 250-880 нм показал 55%-й рост коэффициента отражения при использовании TiO2–SiC по сравнению с TiO2. Поэтому, использование слоя TiO2-SiC, рассеивающего свет, приводит к увеличению светового потока благодаря многократному рассеянию, и, таким образом, способствует повышению эффективности солнечных элементов .

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Zati-Rostami A. Ceramic Advanced Technology with the Growth of the Union Carbide / Zati-Rostami A., Momen H., Kholov A., Sadeghetoosi E. // American Journal of Scientific Research. –2011. – Issue 17 – P.77-83

2. Zati-Rostami A. Growth of Silicon Carbide as a Ceramic Structure / ZatiRostami Ahmad // Middle East Journal of Scientific Research. – 2011. – V .

8(4). – P. 789-794 .

3. Zatirostami A. Development Generation Technologies of Photovoltaic System, / Zatirostami Ahmad, Momen Hekmat and Khalof Ali Mohamad// Middle East Journal of Scientific Research. – 2011. – V. 8(4). – P. 831-836

4. Zatirostami A. Environmental and Technical Analysis of Photovoltaic Systems, / Zatirostami Ahmad // Middle East Journal of Scientific Research .

– 2011. – V. 8(2). – P. 514- 518 .

5. Zatirostami Ahmad. Quantum dot nano-structured silicon for solar cells, / Zatirostami Ahmad // Wulfenia Journal. – 2012. – V. 19, No. 8. – P.161Zatirostami Ahmad. Silicon Quantum and Quantum Efficiency of NanoCrystals in Solar Cells / Zatirostami Ahmad // Texas Journal of Science (TJS). – 2012. – V.23, No.2 – P.242-245

7. Zatirostami Ahmad. Single-Crystalline and Multi-Crystalline Silicon in Solar Cells / Zatirostami Ahmad, Muminov H., Kholov A.M. // Tekstil Journal – 2012. – V. 61, No. 12 – P.387-394

8. Zatirostami Ahmad. SiC Nanopowder Prepared by Sol-Gel Method / Zatirostami Ahmad // Tekstil Journal. – 2013. –V. 62, No. 2. – P.163-171 .

9. Zatirostami Ahmad. Photovoltaic Systems, Independent Research Connected to the Network Ground / Zatirostami Ahmad // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. – 2011. - 5(8). – P. 644-647 .

10.Zatirostami Ahmad. The use of silicon as scattering layer in dye sensitized solar cell (DSSC) / Zatirostami Ahmad // Journal of Ovonic Research. – 2014. – V.10, No. 4 – P.109 – 113 .

11.Zatirostami Ahmad, Probing the Nature of Annealing Silicon Carbide Samples / Zatirostami Ahmad, Muminov Khikmat, Kholov A.// Journal of Applied Chemical Research. – 2013. – V. 7, No. 4. – P. 7-13 .

12.Затиростами А. Фактор накопления нанокристаллических солнечных элементов / Затиростами А., Муминов Х., Холов А.// Вестник Таджикского национального университета. – Серия естественных наук– 2012, № 1/2 (81). – С. 90-95 .

13.Затиростами А., Исследование нанопокрытий и коэффициента отражения пористого слоя диоксида кремния / Затиростами А.// Вестник Таджикского национального университета. – Серия естественных наук.– 2012. – № 1/3(85). – С. 135-139

14.Затиростами А., Синтез нанопорошка карбида кремния методом зольгель и его структурный анализ / Затиростами А., Муминов Х.Х., Холов А.// Доклады АН Республики Таджикистан. – 2013. – Т. 56. – № 4, С .

286-289 .

15.Zatirostami A. TiO2-SIC and TiO2 nano-particles as light scattering layers in nanostructure solar cells / Zatirostami A., Muminov H., Kholov A.// Вестник Педагогического университета. Издание Таджикского государственного педагогического университета им. С.Айни.– 2012. – № 6(49). ––С. 56-64

16.Затиростами А. Получение нанопорошка в системе SiC / Затиростами А., Муминов Х.Х., Холов А.// Международная научно-практическая конференция «Комплексный подход к использованию и переработке угля», Сб. тезисов. – Душанбе. – 2013. – С. 127-128 .

17.Затиростами А., Синтез нанопорошка карбида кремния методом зольгель и его структурный анализ / Затиростами А., Муминов Х.Х., Холов А.// Материалы Международной научной конференции «НАНО-2014», посвящённой 90-летию столицы Республики Таджикистан города



Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа Инжен...»

«ПИНГОВ Анатолия Валерианович УДС 5 1 9.6 : 6 1 4.2 : 6 5 8.3 ЗАДАЧА УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ В МНСГ(КАНАЛЬНЫХ АКТИВНЫХ СИСТЕМАХ (н а примерах здравоохранения и металлургии) Специальность 0 5. I 2. I 0 Управление в социальных...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Инженерная школа природных ресурсов Направление подготовки 21.03.01 Нефтегазовое дело Отделение нефтег...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ ГОСТ Р и с о НАЦИОНАЛЬНЫЙ 13694СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ 2010 ФЕДЕРАЦИИ ОПТИКА И ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНЫ Е УСТАНОВКИ (СИСТЕМЫ ) Методы измерений распред...»

«DAILY ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АВТОМОБИЛЯ ГРУЗОВИКИ ЛЕГКИЕ IVECO Автомобиль Iveco похож на своего во Если возникнут проблемы, лучший путь Автомобиль Iveco — это удачный выбор, дителя: это тщательно продуманная ло к их решению — посоветоваться со спе поздр...»

«ХФТИ 79-2 ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ АН УССР У -° /У '*/?!? С,Ю.В.КУЛИШ ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ ФОТООБРАЗОВАНИЯ ДВУХ ТГ -МЕЗОНОВ НА НУКЛОНАХ ПРИ МАЛЫХ ЭНЕРГИЯХ Харьков УДК 5 3 9. 1 2 КУлии Ю.В. ТЕОРИЯ ПР...»

«УДК 538.97:537.311.322 Белых Василий Валерьевич Динамика излучения GaAs-микрорезонатора с встроенными квантовыми ямами Специальность 01.04.07 физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд...»

«НАВИГАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЛЕР Навигационный контроллер ARNAVI INTEGRAL ГЛОНАСС/GPS (версия III) РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ООО "АРУСНАВИ ЭЛЕКТРОНИКС" Оглавление ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1. Технические характеристики 2. Распиновка основного...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.