Одним из перспективных и интенсивно развивающихся направлений в солнечной энергетике является исследование и усовершенствование цветосенсибилизированных батарей. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, сконструированные из ячеек Гретцеля или их модификаций, по сравнению с солнечными элементами на основе кремния более технологичны в производстве и имеют близкие значения показателя эффективности преобразования солнечной энергии [1].
В состав конструкции таких батарей [2] входят два электропроводящих полупрозрачных электрода. Один из них покрыт высокопористым, насыщенным красителем оксидом проводника, второй электрод нанесен на подложку из проводящего полупроводникового материала (например, оксида индия, легированного оловом), выполняющую функцию несущей конструкции. Электролит (жидкий или твёрдый) заполняет пространство ячейки (рисунок 1).
Рис. 1. Устройство ячейки Гретцеля
Особое внимание следует уделить материалу оксида проводника, так как можно добиться повышения эффективности ячейки Гретцеля с помощью увеличения удельной площади поверхности, улавливающей свет, за счёт уменьшения размера частиц.
Распространёнными материалами для изготовления полупроводников является диоксид титана TiO2 и оксид цинка ZnO, хотя последний имеет меньшую эффективность, однако он проще в обработке и обращении [3–4]. В некоторых вариантах возможно применение смешанных оксидов, например на основе SnO2-ZnO [5].
В данной работе исследуются наноструктуры на основе SiO2-SnO2-ZnO, синтезированные методами золь-гель технологии [6–12]. Эта технология обладает важными для данной задачи отличительными особенностями: возможностью создания структур с ультрадисперсной фазой, что повышает площадь взаимодействия с солнечными лучами, однородным распределением компонентов по всему объёму, способностью контролировать поверхность на стадии её получения, а также простотой в реализации. Синтез наноструктур данным методом проводили в несколько технологических этапов:
1) очистка заранее подготовленных и предварительно обработанных механическим способом электропроводящих стеклянных подложек;
2) приготовление золей. Реакция осуществляется на основе обменного взаимодействия при комнатной температуре тетраэтоксисилана и бутанола в соотношении 4 к 1 с дальнейшим добавлением дистиллята и соляной кислоты для ускорения гидролиза. Полученный золь ортокремниевой кислоты обладает пленкообразующими свойствами [13–14]. В него добавляют неорганические модифицирующие добавки (олово двухлористое двухводное и хлорид цинка), чтобы придать плёнкам заданные свойства;
3) формирование полимерных плёнок из золей на поверхности подложек методом центрифугирования [15–16];
4) термическая обработка при температурах до 600 °С. На этом этапе происходят процессы дегидратации и уменьшения в связи с этим объёма геля, химические реакции по разложению ортокремневой кислоты, гидроксидов соответствующих солей на оксиды и молекулы воды, наблюдается переход полимерных пленок в силикатные [17–19].
За счёт изменения условий получения и установления физико-химических закономерностей, оказывающих влияние на конечный результат, можно управлять свойствами наноструктурированных материалов.
Анализ влияния условий отжига оксидной плёнки проводился с помощью ИК-Фурье-спектрометра ФСМ-1201, на котором сняты ИК-спектры образцов [20–22] до и после термической обработки (рисунок 2).
Рис. 2. ИК-спектр пропускания наноструктур на основе SiO2-SnO2-ZnO, полученный до (а) и после (б) термической обработки
Сравнительные исследования по данным спектрам качественных составов образцов до и после отжига позволяют определить оптимальные условия для получения однородных и равномерных плёнок на основе SiO2-SnO2-ZnO, что необходимо для создания солнечных элементов с высоким показателем эффективности преобразования.
ИК-спектры пропускания плёнкообразующих золей трехкомпонентной системы SiO2-SnO2-ZnO с различным процентным соотношением оксидов [23–25] наглядно демонстрируют зависимость интенсивности пропускания пиков, соответствующих связям с кремнием и с цинком, от их процентного содержания (рисунок 3).
Рис. 3. ИК-спектры пропускания плёнкообразующих золей трехкомпонентной системы SiO2-SnO2-ZnO с различным процентным соотношением оксидов: 1–5 %-60 %-35 %, 2–10 %-60 %-30 %, 3–15 %-60 %-25 %, 4–20 %-60 %-20 %, 5–25 %-60 %-15 %, 6–30 %-60 %-10 %, 7–40 %-60 %-10 %
Таким образом, применение золь-гель-технологии для создания оксида проводника, покрывающего электрод ячейки Гретцеля, увеличивает площадь поверхности, улавливающей свет, что повышает эффективность солнечной батареи на основе ячеек Гретцеля или их модификаций. Более того, данный метод получения совместно с ИК-спектроскопией позволяет уже на стадии синтеза плёнок на основе SiO2-SnO2-ZnO анализировать физико-химические процессы, что обеспечивает управление свойствами и выходными параметрами солнечных элементов.
Литература:
1. Snaith H. J., Ducati C. SnO2-Based Dye-Sensitized Hybrid Solar Cells Exhibiting Near Unity Absorbed Photon-to-Electron Conversion Efficiency // Nano Lett., 2010. — V. 10 (4). — P. 1259–1265.
2. Сигфуссон Т. И., Накоряков В. Е., Гасенко В. Г. Диффузионные потери в солнечной батарее Гретцеля // Теплофизика высоких температур, 2012. — Т. 50. — № 2. — С. 244.
3. Зверева И. Ю., Аверин И. А. Карманов А. А., Пронин И. А. Влияние типа подложки на свойства тонких пленок ZnO, синтезированных золь-гель методом // Университетское образование XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М.Печерской, Пенза, 2014. — С. 286–288.
4. Аверин И. А., Кудашов А. А., Пронин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование фотокаталитической активности наноструктурированных порошков ZnO // Университетское образование XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М.Печерской, Пенза, 2014. — С. 523–525.
5. Chen W., Qiu Y., Zhong Y., Wong K. S., Yang S. High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells Based on the Composite Photoanodes of SnO2 Nanoparticles/ZnO Nanotetrapods // J. Phys. Chem. A, 2010. — V. 114 (9). — P. 3127–3138.
6. Мошников В. А., Грачева И. Е., Аньчков М. Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом // Физика и химия стекла, 2011. — Т. 37. — № 5. — С. 672–684.
7. Аверин И. А., Карманов А. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель технологии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, 2012. — № 2. — С. 155–162.
8. Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Карманов А. А. Особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов состава SiO2-MexOy, полученных с помощью золь-гель технологии // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 8. — С. 3–7.
9. Карманов А. А. Особенности синтеза материалов для чувствительных элементов мультисенсорных систем золь-гель методом // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2013. — Т. 2. — С. 115–118.
10. Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование образования золь-гель нанокомпозитных пленок // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2013. — Т. 2. — С. 201–205.
11. Пронин И. А., Аверин И. А., Мошников В. А., Якушова Н. Д., Кузнецова М. В., Карманов А. А. Перколяционная модель газового сенсора на основе полупроводниковых оксидных наноматериалов с иерархической структурой пор // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 9. — С. 15–19.
12. Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Разработка перколяционной модели газовых сенсоров // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2014. — Т. 1. — С. 161–163.
13. Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Исследование газочувствительности сенсоров на основе наноструктурированных композиционных материалов SiO2-SnO2 // Нано- и микросистемная техника, 2013. — № 5. — С. 23–26.
14. Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование частотных зависимостей емкости наноструктур на основе SiO2-SnO2 // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, 2013. — № 3 (27). — С. 168–175.
15. Игошина С. Е., Карманов А. А., Сигаев А. П. Вакуумметры с чувствительными элементами на основе пористых наноструктурированных материалов состава SiO2-SnO2 // Молодой ученый, 2014. — № 11. — С. 52–55.
16. Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование процессов газочувствительности полупроводниковых сетчатых композитов на основе SiO2-SnO2 // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2012. — Т. 1. — С. 214–216.
17. Аверин И. А., Пронин И. А., Мошников В. А., Димитров Д. Ц., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Кузнецова М. В. Анализ каталитических и адсорбционных свойств D-металлов-модификаторов диоксида олова // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 7. — С. 47–51.
18. Игошина С. Е., Аверин И. А., Карманов А. А. Моделирование газочувствительности пористых пленок на основе полупроводниковых оксидов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета, 2014. — № 48. — С. 115–119.
19. Аверин И. А., Сигаев А. П., Пронин И. А., Кудашов А. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование качественного состава наноструктур на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 и его зависимость от температуры отжига // Университетское образование XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М.Печерской. Пенза, 2014. С. 521–523.
20. Аверин И. А., Карманов А. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Исследование золя ортокремневой кислоты методом ИК-спектрометрии // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2012. — Т. 2. — С. 181–182.
21. Аверин И. А., Карманов А. А. Исследование качественного состава золя ортокременвой кислоты // Международной научно-методической конференции. Посвящается 150-летию со дня рождения П. А. Столыпина. под ред. В. И. Волчихина, Р. М.Печерской. Пенза, 2012. — С. 177–178.
22. Аверин И. А., Сигаев А. П., Карманов А. А., Пронин И. А., Игошина С. Е., Кудашов А. А. Влияние отжига на качественный состав наноструктурированных материалов на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2014. — Т. 2. — С. 133–136.
23. Аверин И. А., Карманов А. А., Печерская Р. М. Исследование количественного состава золя ортокремневой кислоты // Университетское образование сборник статей XVI Международной научно-методической конференции. Посвящается 150-летию со дня рождения П. А. Столыпина. под ред. В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. Пенза, 2012. — С. 178–180.
24. Игошина С. Е., Карманов А. А., Сигаев А. П. Особенности ИК-спектров пропускания пленкообразующих золей на основе тетраэтоксисилана, содержащих модифицирующие соединения // Молодой ученый, 2014. — № 9 (68). — С. 158–161.
25. Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А., Печерская Р. М. Использование ИК-спекроскопии для анализа тонких стекловидных пленок, полученных золь-гель методом // УНИВЕРСИТЕТСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Сборник статей XV Международной научно-методической конференции, посвященной 50-летию полета первого космонавта Ю. А. Гагарина. под редакцией В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40, 2011. — С. 227–228.
