Układy hybrydowe polimerowo-półprzewodnikowe na bazie ZnO do fotoogniw słonecznych

1. 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

2. 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

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

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

5. 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.)

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

7. Parametry charakteryzujące ogniwo • Wydajność 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. 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 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Dye_Sensitized_Solar_Cell_Scheme.png

13. 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!!

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 eksperymentalna • Cel 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 przewodzących EQE = (ŋA) (ŋdiff) (ŋsep) (ŋtr) (ŋcc) Dobór właściwego polimeru ma kluczowe znaczenia dla wydajności kwantowej ogniwa!

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

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

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 matrycy • Metoda uniwersalna • Różne matryce • (tlenek glinu, poliwęglanowe) • Procesy chemiczne i elektrochemiczne • Możliwość dobrej kontroli rozmiarów nanodrutów • Journal of Crystal GrowthVolume 265, Issues 1-2, 15 April 2004, Pages 184-189 • 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 rozmiarów • Maksymalne pokrycie nanostruktur polimerem • Trwałość • Wydajność

30. Metody badawcze • XRD • SEM – EDX • AFM, STM • Metody elektrochemiczne • Spektroskopia (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