Układy hybrydowe polimerowo-półprzewodnikowe na bazie ZnO

do fotoogniw słonecznych

Seminarium specjalizacyjne z chemii fizycznej, 11.05.2010

Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii

Jakub Socha, Chemia, 4 rok

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

Eg

Eg Eg

HOMO

LUMO

Eg=0 Eg > 3 eV 0,1 eV < Eg< 3eV 1,5eV < Eg < 3eV

Półprzewodniki typu p i n

Typu n Typu p

Poziom donorowyPoziom akceptorowy

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

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