Оренбургский государственный университет

Разработка метода управления параметрами фотовольтаических элементов на основе диоксида титана за счет внедрения плазмонных наносистем с перспективой создания более эффективных солнечных ячеек Гретцеля

Проект № СП-1340.2015.1

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

Наиболее важные результаты заключаются в следующем:

1. Используя математическую модель на основе уравнения диффузии с рекомбинационным слагаемым, произведено вычисление основных характеристик ячеек Гретцеля.
2. Показано, что наиболее оптимальной толщиной пористого слоя диоксида титана с точки зрения отношения является значение 15–20 мкм. Дальнейшее увеличение толщины образцов ведет к увеличению затрат на производство, при этом КПД уменьшается.
3. В результате моделирования показано, что рабочие параметры ячеек Гретцеля сильно зависят от коэффициента диффузии фотоэлектронов в пористом слое диоксида титана. Так показано, что при увеличении коэффициента диффузии в 10 раз, ток короткого замыкания увеличивается в 2 раза, при этом КПД возрастает на 40 %.
4. В результате исследования показано, что одним из механизмов влияния плазмонных наночастиц серебра на параметры работы фотоячеек является плазмонное усиление поглощательной способности молекул красителя.
5. 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 %.
6. Разработана и построена в MEEP модель пористой среды с плазмонной наночастицей.
7. Реализована сложная геометрическая трехмерная модель ячеек Гретцеля с внедренными наночастицами серебра с учетом заданной пористости образца, концентрации частиц и других параметров.
8. Проведено компьютерное моделирование диэлектрических свойств оболочек красителя из молекул антоцианина с использованием соотношения Крамерса-Кронига и с привлечением TD-DFT моделирования.
9. Проведено компьютерное моделирование методом FDTD солнечных ячеек Гретцеля с внедренными наночастицами серебра.
10. Показано, что образцы с внедренными наночастицами серебра поглощают больше света, чем стандартные образцы ячеек Гретцеля.

Сравнение расчетов с экспериментальными данными показывает хорошее качественное и количественное согласование.

Основные результаты исследования опубликованы в работах:

Статьи, индексирующиеся в базах Scopus, Web of Science

1. M.G. Kucherenko, D.A. Kislov 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. M.G. Kucherenko, D.A. Kislov, V.M. Nalbandyan 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.
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. Кислов Д.А. Моделирование солнечных ячеек гретцеля c плазмонными наночастицами серебра // Сб. тез. VI Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике 2017, МИФИ, Москва (в печати).
4. Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Плазмон-активизированный межмолекулярный безызлучательный перенос энергии в сферических нанореакторах // Сб. тез. VI Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике 2017, МИФИ, Москва (в печати).

Тезисы конференций

1. D. Kislov 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. M. Kucherenko, D. Kislov, V. Nalbandyan Förster resonance energy transfer in Porous Media with Silver Nanoparticles // Book of abstracts of the 8th Japanese-Russian Seminar on Chemical Physics of Molecules and Polyfunctional Materials 2016, Hiroshima, Japan, p. 55.

Участие в международных конференциях

1. IV 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, 10–11.12.2016, Hiroshima, Japan.
4. VI Международная конференция по фотонике и информационной оптике, 2017, МИФИ, Москва.