Научная статья на тему 'ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫЕ МАССИВЫ НАНОТРУБОК TIO2 В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ НА ГИБКОМ НОСИТЕЛЕ'

ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫЕ МАССИВЫ НАНОТРУБОК TIO2 В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ НА ГИБКОМ НОСИТЕЛЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
50
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / МАССИВ НАНОТРУБОК / ОКСИД ТИТАНА / ГИБКИЙ НОСИТЕЛЬ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Белов Алексей Николаевич, Гаврилин Илья Михайлович, Гаврилов Сергей Александрович, Дронов Алексей Алексеевич, Шулятьев Алексей Сергеевич

Рассмотрена возможность создания твердотельного солнечного элемента со сверхтонким поглощающим слоем на гибком носителе. В качестве гибкого носителя используется титановая фольга. Тонкопленочный солнечный элемент выполнен в виде гетероструктуры Ti/TiO2/In2S3/InxPb1-xS/ CuSCN/ZnO:Ga. Слой акцептора электронов представляет собой массив нанотрубок оксида титана, сформированный путем электрохимического окисления титановой фольги. Показано, что созданный твердотельный солнечный элемент по своим характеристикам сравним с фотоэлектрическими преобразователями, использующими жидкие сенсибилизирующие красители.The possibility of creating a solid solar cell with the extremely thin absorbing layer on a flexible carrier has been considered. As a flexible carrier the titanium foil has been used. The thin film solar cell has been made in the form of the Ti/TiO2/In2S3/InxPb1-xS/CuSCN/ZnO:Ga heterostructure. As a photoanode layer an array of the nanotubes of titanium oxide, formed by the electrochemical oxidation of the titanium foil, has been used. It has been shown that the generated solid state solar cell has the characteristics comparable to the photoelectric converters using the liquid sensitizing dyes.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Белов Алексей Николаевич, Гаврилин Илья Михайлович, Гаврилов Сергей Александрович, Дронов Алексей Алексеевич, Шулятьев Алексей Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫЕ МАССИВЫ НАНОТРУБОК TIO2 В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ НА ГИБКОМ НОСИТЕЛЕ»

УДК 621.9.047.7

Высокоупорядоченные массивы нанотрубок ТЮ2 в фотоэлектрических преобразователях на гибком носителе

А.Н.Белов, И.М.Гаврилин, С.А.Гаврилов, А.А.Дронов, А.С.Шулятьев

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Рассмотрена возможность создания твердотельного солнечного элемента со сверхтонким поглощающим слоем на гибком носителе. В качестве гибкого носителя используется титановая фольга. Тонкопленочный солнечный элемент выполнен в виде гетероструктуры Ti/TЮ2/In2S3/InxPb1-xS/ CuSCN/ZnO:Ga. Слой акцептора электронов представляет собой массив нанотрубок оксида титана, сформированный путем электрохимического окисления титановой фольги. Показано, что созданный твердотельный солнечный элемент по своим характеристикам сравним с фотоэлектрическими преобразователями, использующими жидкие сенсибилизирующие красители.

Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, массив нанотрубок, оксид титана, гибкий носитель.

Внедрение нанотехнологий в сферу возобновляемых источников энергии, по прогнозам экспертов, обеспечит их низкую себестоимость. Создание фотоэлектрических преобразователей на основе нанокристаллического оксида титана является ярким примером внедрения нанотехнологических разработок в массовое производство [1]. Такие солнечные батареи, изготовленные на гибких подложках, за счет низкой себестоимости производства и уникальных массогабаритных характеристик стали основой для создания портативных зарядных устройств. Кроме того, эти устройства не требуют использования дорогостоящих кристаллических подложек (кремний, арсенид галлия и др.) [2].

В настоящее время разработаны тонкопленочные элементы на более дешевых носителях, таких как металлические и полимерные ленты [3]. Среди них особое место занимают структуры, создаваемые на основе нанокристаллических оксидов. В этих структурах реализуется эффективное пространственное разделение носителей заряда в поглощающих слоях нанометровой толщины, а высокие значения фототока достигаются за счет развитой поверхности. Эта концепция реализована в промышленных образцах на примере батарей Гретцела [4]. В то же время наличие жидкости между электродами в таких элементах значительно снижает диапазон рабочих температур приборов. Замена жидкости на гелевые электролиты пока не позволила достигнуть рентабельных уровней КПД, которые должны превышать 5 - 6% при имеющейся себестоимости изготовления [5].

Одним из способов повышения КПД фотоэлектрических преобразователей на основе нанокристаллических оксидов является увеличение эффективной площади гетероперехода [6]. Применение прозрачных полупроводниковых пористых матриц или вы-сокоупорядоченных массивов на основе диоксида титана с электронным типом проводимости, которые на несколько порядков увеличивают эффективную площадь гетеропереходов, существенно уменьшает оптические потери за счет снижения отражательной способности и многократного преломления света в структурах такого типа.

© А.Н.Белов, И.М.Гаврилин, С.А.Гаврилов, А.А.Дронов, А.С.Шулятьев, 2011

В [7] описан фотоэлектрический преобразователь энергии, использующий в качестве акцептора электронов высокоупорядоченный массив нанотрубок оксида титана. Данная многослойная структура содержит: слой акцептора электронов из пористого оксида титана; функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда (сенсибилизирующий краситель); слой акцептора дырок (электролит); верхний прозрачный электрод. Недостатком этого солнечного элемента является наличие в его конструкции жидкого электролита, что существенно ограничивает температурный диапазон его работоспособности. Это, в свою очередь, сужает области применения такого солнечного элемента и снижает срок его эксплуатации. Он характеризуется невысокой надежностью.

В настоящей работе исследуется возможность создания полностью твердотельного солнечного элемента со сверхтонким поглощающим слоем (СЭСПС).

Методика эксперимента. Предлагаемый твердотельный СЭСПС содержит в качестве функционального слоя для генерации и разделения неравновесных носителей заряда тонкую пленку халькогенида металла и-типа проводимости. Его поперечное сечение приведено на рис. 1.

Рис.1. Поперечное сечение тонкопленочной структуры фотоэлектрического преобразователя на основе гетероструктуры Т^ТЮ2Лп^3ЛпхРЬ1-;1£/С^С№^п0^а: 1 - титановая фольга; 2 - слой акцептора электронов из окида титана; 3 - функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда; 4 - планаризующий слой акцептора дырок; 5 - верхний электрод

Использование титановой фольги позволило создать фотоэлектрический преобразователь со сверхтонким поглощающим слоем на гибком носителе и обеспечило возможность получения наноструктурированного слоя анодного оксида титана (см. рис.1, слой 2). Одновременно титановая фольга служит нижним электродом фотоэлектрического преобразователя.

Титановую фольгу предварительно подвергали химической очистке в растворе состава НР: HзPO4:H2O в соотношении 1:2:6.

Анодный процесс формирования слоя оксида титана проводили в потенциостати-ческом режиме при комнатной температуре. Для контроля параметров процессов применяли созданный специальный электрохимический комплекс [8] с рабочей частотой снятия данных от 0,5 до 50 Гц, с использованием которого возможно одновременно контролировать напряжение, ток и температуру зоны реакции электрохимического процесса. В качестве электролитов применяли неводные (1М НР в этиленгликоле и 0,5M ЫЫИ4Р в глицерине) фторсодержащие растворы. Процесс электрохимического окисления проводили в течение 1-3 ч при клеммном напряжении от 20 до 120 В. Ва-

риация времени процесса и величины клеммного напряжения позволяла формировать наноструктурированные слои с разными геометрическими параметрами.

Для очистки поверхности сформированного оксида титана от продуктов реакции полученные структуры обрабатывали в концентрированной серной кислоте в течение 10 мин, затем промывали в деионизованной воде и сушили в струе азота.

После очистки слои оксида титана отжигали на воздухе при температуре 500 °С в течение 1,5 ч со скоростью роста температуры 2 °С/мин. Температурный отжиг применяли для обеспечения кристаллизации оксида титана и повышения тем самым подвижности в нем носителей заряда. Морфологию оксидных пленок титана исследовали с помощью растрового электронного микроскопа.

Функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда (см. рис.1, слой 3) состоит из буферного слоя 1п2В3, который обеспечивает низкие рекомбинационные потери, и поглощающего слоя 1пхРЬ1-хВ. Буферный слой 1п2В3 осаждали методом молекулярного наслаивания из жидкой фазы [9] из растворов 10 мМ 1пС13 и 10 мМ №2Б. Поглощающий слой 1пхРЬ1-х8 осаждали так же методом молекулярного наслаивания из раствора катионного прекурсора, содержащего 9 мМ 1пС13 и 1 мМ РЬ(СН3СОО)2. Затем осуществляли отжиг при температуре 150 °С в течение 30 мин на воздухе.

Контакт р-типа (акцептор дырок) формировали на специально разработанной установке, обеспечивающей заполнение пространства между нанокристаллами и вырожденным полупроводником CuSCN (см. рис.1, слой 4). Для этого подложку помещали на подвижный столик, нагретый до 80 °С, и с помощью специального дозатора подавали 0,07 М раствора CuSCN в пропилсульфиде.

Верхний прозрачный электрод (см. рис.1, слой 5) формировали магнетронным распылением мишени 2пО, легированной Ga [10]. После процесса нанесения пленки 2пО^а полученную структуру подвергали низкотемпературному отжигу в вакууме для увеличения проводимости и прозрачности электрода.

Результаты измерений и их обсуждение. Типичные РЭМ-микрофотографии полученных высокоупорядоченных массивов нанотрубок оксида титана представлены на рис.2.

Рис.2. РЭМ-микрофотографии высокоупорядоченного массива нанотрубок оксида титана: а - вид сверху; б - поперечный скол

Как следует из приведенных данных, наноструктурированный слой оксида титана представляет собой высокоупорядоченный массив нанотрубок. В результате исследования структуры поверхности сформированных слоев оксида титана выбран режим анодного окисления титана (время анодирования - 2 ч, клеммное напряжение - 60 В), который позволил сформировать массив высокоупорядоченных нанотрубок оксида титана с оптимальными геометрическими параметрами (высота нанотрубок ~ 3 мкм, диаметр нанотрубок ~ 80 нм, диаметр поры ~ 40 нм). Это позволило обеспечить как высокую эффективную площадь гетероперехода в структуре фотопреобразователя, так и конформное осаждение на оксид титана функционального слоя для генерации и разделения неравновесных носителей заряда.

Для исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) сформированных структур фотопреобразователя к его электродам присоединяли переменное нагрузочное сопротивление с номиналом в диапазоне 0-1 МОм. В ходе измерений образцы освещали со стороны контакта источником света с мощностью излучения 100 мВт/см2.

На основе измеренных ВАХ определяли напряжение холостого хода и*, плотность тока короткого замыкания Jкз и максимальное значение удельной выходной мощности Рт как произведение тока на напряжение.

Установленное Рт определяет КПД солнечного элемента согласно известному уравнению [6]:

Р

КПД = Рт, Р

где Ря - удельная мощность падающего солнечного излучения, равная приближенно 100 мВт/см2.

При определении характеристик солнечных элементов важное значение имеет коэффициент заполнения РР вольт-амперной характеристики, который рассчитывают согласно следующему уравнению [6]:

РР =-

Р

•100%.

Значения и*, Jкз и РР позволяют полностью охарактеризовать параметры солнеч ных элементов.

На рис.3 показана типичная ВАХ экспериментального образца фотопреобразователя.

Фотоэлектрические характеристики данного образца составили: ихх = 655 мВ; 1кз = = 370 мкА; КПД = 1,26 %; РР = 37,00%.

Результаты исследования показывают, что созданный твердотельный СЭПС по своим характеристикам сравним с фотоэлектрическими преобразователями, использующими жидкие сенсибилизирующие красители [4, 7]. Однако при этом он обеспечивает расширение номенклатуры подложек, использующихся для создания фотопреобразователей энергии данного типа, и работоспособность в более широком

Рис.3. ВАХ экспериментального образца преобразователя энергии, сформированного на основе высокоупорядоченного массива нанотрубок оксида титана

температурном диапазоне, что расширяет область применения такого солнечного элемента и увеличивает срок его эксплуатации.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и при частичной поддержке грантов РФФИ 10-08-90038-Бел а и 09-09-00775-а.

Литература

1. www.G24i.com.

2. Basic Research Needs for Solar Energy Utilization: Report of the Basic Research Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, Argonne National Laboratory, 2005. - 260 p.

3. Chopra K.L., Paulson P.D., Dutta V. Thin-film solar cells: an overview // Prog. Photovoltaics. - 2004. -Vol. 12. - P. 69-92.

4. GrätzelM. Photoelectrochemical Cells // Nature. - 2001. - Vol. 414. - P. 338-344.

5. High efficiency solid-state photovoltaic device due to inhibition of interface charge recombination / Kruger J., Plass R., Cevey L. et al. // Appl. Phys. Lett. - 2001. - Vol. 79. - P. 2085-2087.

6. Пути повышения эффективности солнечных элементов с экстремально тонкими поглощающими слоями / С.А.Гаврилов, А.АДронов, В.И.Шевяков и др. // Российские нанотехнологии. - 2009 . - Т. 4, № 3-4. - С. 103-109.

7. Application of Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays in Flexible Dye-Sensitized Solar Cells / D.Kuang, J.Brillet, P.Chen et al. // American Chemical Society. - 2008. - Vol. 2, N. 6. - P. 1113-1116.

8. Factors effected on nanoporous anodic alumina / A.N.Belov, S.A.Gavrilov, A.V. Zheleznyakova et al. // Proc. of SPIE. - 2006. - Vol. 6260. - P. 626011-1-626011-8.

9. Charge selective contact on ultra-thin In(OH)xSr/Pb(OH)xS>, heterostructure prepared by SILAR / S.Gavrilov, I.Oja, B.Lim et al. // Phys. Stat. Sol. (a) 203. - 2006. - N 5. - P. 1024-1029.

10. Исследование свойств тонких пленок ZnO, полученных методом магнетронного распыления на холодную подложку / Громов Д.Г., Редичев Е.Н., Гаврилов С.А. и др. // Сб. докладов Харьковской нано-технологической ассамблеи. - 2008. - Т. 1, № 1. - С. 64-68.

Статья поступила 21 сентября 2010 г.

Белов Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и физической химии МИЭТ. Область научных интересов: наноструктуры на основе пористых материалов, процессы формирования и изучение свойств нанокристаллов.

Гаврилин Илья Михайлович - студент факультета электронных материалов и оборудования МИЭТ.

Гаврилов Сергей Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и физической химии, проректор по научной работе МИЭТ. Область научных интересов: технология формирования твердотельных наноструктур, электрохимическая и химическая обработка поверхности материалов микро-, опто-и наноэлектроники, технология получения и исследование свойств нанопористых полупроводников и диэлектриков.

Дронов Алексей Алексеевич - аспирант кафедры материаловедения и физической химии МИЭТ. Область научных интересов: золь-гель-методы осаждения, электрохимические процессы, молекулярное наслаивание. E-mail: noiz@mail.ru

Шулятьев Алексей Сергеевич - магистрант факультета электронных и компьютерных технологий МИЭТ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.