Оренбургский государственный университет

Разработка метода повышения эффективности работы электрохимических солнечных ячеек на основе диоксида титана за счет внедрения в конструкцию металлических наночастиц с плазмонным резонансом

Грант РФФИ № 15-08-04132_а

Руководитель проекта — канд. физ.-мат. наук старший научный сотрудник Кислов Д.А.

В ходе выполнения проекта все поставленные в 2015 году задачи выполнены в полном объеме. Отработана методика изготовления стандартной фотовольтаической ячейки на основе наноструктурированного диоксида титана. В результате получены стабильно работающие образцы.

Для выявления закономерностей влияния плазмонных металлических наночастиц на фундаментальные механизмы работы электрохимических фотовольтаических элементов на основе наноструктурированного диоксида титана была разработана и реализована методика внедрения нанокластеров с плазмонными свойствами в конструкцию солнечной ячейки.

Проведено исследование влияния металлических наночастиц с плазмонным резонансом на механизмы работы электрохимических фотовольтаических элементов (солнечных батарей) на основе наноструктурированного диоксида титана. Основная идея работы заключается в том, что молекулы красителя в ячейке Гретцеля, попавшие в область локально усиленного ближнего поля металлической наночастицы, генерируют больше свободных носителей заряда. В ходе работы были экспериментально измерены основные параметры работы ячеек, такие как вольт-амперная и люкс-амперная характеристики, ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, эффективность, фактор заполнения и т. д. Показано, что образцы, в конструкцию которых внедрены наночастицы серебра, генерируют больший фототок. Причем ток тем больше, чем больше концентрация наносеребра присутствует в ячейке. Анализ показывает, что при добавлении в структуру ячеек Гретцеля максимальной концентрации плазмонных наночастиц КПД увеличивается более чем в два раза по сравнению с эталонным образцом.

Кроме того, проведены исследования емкостных и транспортных свойств полученных образцов фотовольтаических ячеек. Для этого была проведена серия времяразрешенных экспериментов. Измерения проведены в двух режимах работы ячеек: режиме короткого замыкания и режиме холостого хода. Показано, что при наличии в конструкции ячеек наночастиц серебра значительно увеличивается электрохимическая емкость образцов. Кроме того, добавление в ячейки наночастиц серебра значительно увеличивает коэффициент диффузии, а значит, в присутствии плазмонных наночастиц процессы переноса зарядов протекают еще быстрее. Так, для образца с максимальной концентрацией наночастиц средний коэффициент диффузии в 1,22 раза больше среднего коэффициента диффузии в эталонном образце.

Таким образом, показано, что добавление наночастиц серебра в конструкцию солнечных ячеек приводит к существенному увеличению их КПД. Кроме этого, обнаружено существенное влияние наночастиц серебра на емкостные и транспортные свойства солнечных ячеек Гретцеля.

Основные результаты исследования опубликованы в работах:

Учебное пособие:

• Степанов В.Н., Кислов Д.А. Физикохимия наноструктур. Оренбург : ОГУ, 2016. (В печ.)

Статьи, индексирующиеся в базах Scopus, Web of Science:

• Kislov D. Effect of plasmonic silver nanoparticles оn the photovoltaic properties of Graetzel solar cells // Physics Procedia. 2015. Vol. 73. P. 114–120.

Статьи в журналах из перечня ВАК:

• Кислов Д.А. Повышение эффективности преобразования световой энергии в электрическую солнечными ячейками Гретцеля за счет внедрения в конструкцию плазмонных наночастиц // Вестник ОГУ. 2015. № 13. (В печ.)

Публикации в изданиях РИНЦ:

• Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Эффекты локально-плазмонного изменения скорости межмолекулярного безызлучательного переноса энергии в пористой среде // Сб. материалов Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию Оренбургского гос. ун-та. Оренбург : Университет, 2015. Ч. 4 : Наука и образование: фундаментальные основы, технология, инновации. 315 с.

Тезисы конференций:

1. Кислов Д.А. Влияние плазмонных наночастиц серебра на фотоэлектрические свойства солнечных ячеек Гретцеля // 4-я Международ. конф. по фотонике и информац. оптике. М., 2015. С. 252–253.
2. Измоденова С.В., Кислов Д.А., Кучеренко М.Г. Влияние серебряных наночастиц на скорость безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами внутри обратных мицелл // Сб. науч. тр. 4-й Международ. конф. по фотонике и информац. оптике, Москва, 28–30 янв. 2015 г. С. 254–255.

Участие в международных конференциях:

1. IV Международная конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, НИЯУ МИФИ, 28–30 янв. 2015 г.
2. Международная научная конференция "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвящ. 60-летию Оренбургского гос. ун-та, г. Оренбург, 15–17 сент. 2015 г.

Участие во всероссийских конференциях:

• Всероссийская научно-практическая конференция "Фундаментальная наука Оренбуржья: итоги и перспективы сотрудничества Российского фонда фундаментальных исследований и правительства Оренбургской области", г. Оренбург, ОГУ, 10–11 дек. 2015 г.