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.

Используя математическую модель на основе уравнения диффузии с генерационным и рекомбинационным слагаемым, произведено вычисление основных характеристик ячеек Гретцеля. В результате расчетов показано, что одним из механизмов влияния плазмонных наночастиц серебра на параметры работы фотоячеек является плазмонное усиление поглощательной способности молекул красителя. Показано, что при увеличении коэффициента поглощения молекул в 10 раз, ток короткого замыкания увеличивается примерно 1.6 раза, а КПД при этом возрастает на 50 %. Сравнение расчетов с экспериментальными данными показывает хорошее качественное согласование.

Проведено компьютерное моделирование изучаемых солнечных ячеек Гретцеля с внедренными наночастицами серебра методом конечных разностей во временной области (FDTD). С применением воксельной технологии реализована сложная геометрическая трехмерная модель ячеек Гретцеля с внедренными наночастицами серебра с учетом заданной пористости образца, концентрации частиц и других параметров. Получены и проанализированы усредненные по времени распределения интенсивности электрического поля в счетном объеме, в котором присутствуют три компонента: наночастицы диоксида титана, наночастицы серебра, краситель. Показано, что в присутствии наночастиц серебра в объеме ячейки структура электромагнитного поля сильно усложняется, появляются области, где поле посредством плазмонного резонанса в наночастицах серебра многократно локально усиливается. Что, в свою очередь, влияет на поглощение света ближайшего к наночастице окружения.

При помощи Фурье-преобразования временной зависимости напряженности электрического поля в определенных точках счетного объема были рассчитаны спектры рассеяния и поглощения исследуемых образцов. В результате показано, что образцы с внедренными наночастицами серебра поглощают больше света, чем стандартные образцы ячеек Гретцеля.

Статьи, индексирующиеся в базах Scopus, Web of Science:

1. Kucherenko M.G., Kislov D.A. Features plasmon-activated intermolecular nonradiative energy transfer in spherical nanoreactors // The Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2017 (направлено в редакцию).

Публикации в изданиях РИНЦ

1. Кислов Д.А. Моделирование солнечных ячеек Гретцеля c плазмонными наночастицами серебра // Сб. тез. VI Междунар. конф. по фотонике и информацион. оптике. 2017, МИФИ, Москва (в печати).
2. Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Межмолекулярный безызлучательный перенос энергии в полости пористой среды с серебряными наночастицами // Сб. тр. 9-й Междунар. конф. «Фундаментальные проблемы оптики». ФПО-2016 Санкт-Петербург, Россия, 17–21 октября 2016 г. С. 89–91.
3. Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Плазмон-активизированный межмолекулярный безызлучательный перенос энергии в сферических нанореакторах // Сб. тез. VI Междунар. конф. по фотонике и информацион. оптике. 2017, МИФИ, Москва (в печати).
4. Kucherenko M.G., Kislov D.A., Nalbandyan V.M. Nonradiative Intermolecular Energy Transferin Porous Media Cavity with Metal Nanoparticles // Book of abstracts of the 4^th international symposium «Molecular photonics» dedicated to academician A.N. Terenin. 21–24.07.2016. Peterof, St. Peterburg, Russia. P. 28.

Тезисы конференций

1. Kislov D. Dye sensitized solar cells with plasmonic silver nanoparticles // Book of abstracts of the 8^th Japanese-Russian Seminar on Chemical Physics of Molecules and Polyfunctional Materials. 2016, Hiroshima, Japan. P. 53.
2. Kucherenko M., Kislov D., Nalbandyan V. Förster resonance energy transfer in Porous Media with Silver Nanoparticles // Book of abstracts of the 8^th Japanese-Russian Seminar on Chemical Physics of Molecules and Polyfunctional Materials. 2016, Hiroshima, Japan. P. 55.

Участие в международных конференциях

1. IV^th international symposium «Molecular photonics» dedicated to academician A.N. Terenin. 21–24.07.2016. Peterof, St. Peterburg, Russia.
2. IX Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики». ФПО-2016, Санкт-Петербург, Россия, 17–21 октября 2016 г.
3. VIII Japanese-Russian Seminar on Chemical Physics of Molecules and Polyfunctional Materials. Hiroshima, Japan, 10–11.12.2016.
4. VI Международная конференция по фотонике и информационной оптике, МИФИ, Москва, 2017.