XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов - с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление – фотовольтаику [1]. Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени препятствовала их быстрому развитию. В настоящее время активно исследуются солнечные элементы на основе гибридных органо-неорганических перовскитов. Перовскиты имеют ряд потенциально полезных физических свойств для получения электроэнергии от солнца. К тому же они могут быть разработаны для решения других функциональных проблем. Таким образом, эти материалы имеют потенциал, чтобы быть идеальными для недорогих и высокоэффективных солнечных элементов. Однако для эффективной работы солнечных элементов необходимо подобрать оптимальные буферные слои.

Наиболее распространенным электрон-проводящим материалом для перовскитов является диоксид титана (TiO2). Часто используемым материалом для транспортировки дырок в перовскитных солнечных элементах является spiro-OMeTAD. Солнечные батареи на основе гибридных органо-неорганических перовскитов (рис.1) в сочетании со spiro-OMeTAD имеют коэффициента полезного действия (КПД) свыше 25% [2]. Однако стоимость spiro-OMeTAD высока из-за его длительного и сложного синтеза. При этом этот органический материал имеет ограниченную термо- и фотостабильность. Поэтому стало необходимым разработать более экономичные альтернативы spiro-OMeTAD, такие как неорганические буферные материалы CuI, NiO и CuSCN.

Рис. 1 Схема планарной архитектуры перовскитных ФЭП [3].

Методики получения слоев p-типа CuI, NiO и CuSCN

Одной из задач для получения конкурентоспособных солнечных элементов на основе ГОНП является замена органических p-буферных слоев на неорганические. Наибольшее распространение нашли неорганические p-буферные слои на основе CuI, NiO и CuSCN. Были найдены методики получения данных буферных слоев. На основе найденных методик в ходе дальнейшей работы будут получены необходимые буферные слои.

Методы нанесения пленок

Спин-коатинг – метод нанесения частиц или тонких пленок на плоские подложки за счет центрифугирования и растекания раствора прекурсора по поверхности образца (рис.2). Спиннер позволяет изменять параметры (скорость вращения, ускорение и т. д.) с большой точностью, благодаря чему возможно получать тонкие пленки заданной толщины и состава [4].

Рис. 2. Спин-коатинг [4].

Спрей-пиролиз - метод получения высокодисперсных порошков (рис.3), основанный на термическом разложении аэрозоля раствора, содержащего катионы синтезируемого материала в стехиометрическом соотношении. Метод спрей-пиролиза сочетает в себе использование аэрозольных технологий с процессами дегидратации и разложения солей металлов [5].

Рис. 3. Структурная схема технологической установки спрей – пиролиза [5].

Заключение

В рамках данной работы были изучены такие дырочно-проводящие материалы, как CuI, NiO и CuSCN, в связи с тем, что они на сегодняшний день наиболее широко применяются в ПСЭ. На основании исследований спектральных характеристик тонких пленок были выявлены основные закономерности светопоглощения пленок CuI, NiO и CuSCN. Из спектров поглощения были определены значения ширины запрещенной зоны полупроводников. Нами были синтезированы тонкие пленки неорганических дырочно-проводящих буферных слоев CuI, NiO и CuSCN различными мокрыми методами на стеклянных подложках. При этом предпочтение было отдано методам спин-коатинга и спрей-пиролиза. Полученные тонкие пленоки CuI, NiO и CuSCN были охарактеризованы методами спектрофотометрии и профилометрии.

Литература

1. Gladyshev P.P., Banavoth M., Swetha T., Bingwa N., Martynov Ya.B., Zelenyak T.Yu., Kinev V.A., Nazmitdinov R.G. Hybrid Organo-Inorganic Perovskite Solar Cells: Architecture Evolution, Materials of Functional Layers, Photoelectric Characteristics, Properties, and Efficiency // Renewable Energy: Research, Development and Policies. Perovskite Solar Cells: Properties, Application and Efficiency. – 2019. – P. 1-75.

2. Jeon N. J. et al. A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells // Nature Energy. – 2018. – V. 3. – №. 8. – P. 682.

3. Etgar L. Hole Conductor Free Perovskite-based Solar Cells. – Springer, 2016.

4.Wang S., Langrish T. A review of process simulation sand the use of additive sin spray drying // Food Research International. – 2009. – V. 42. – № 1. – P. 13-25.

5. Zimmermann I. et al. Improved efficiency and reduced hysteresis in ultra-stable fully printable mesoscopic perovskite solar cells through incorporation of CuSCN into the perovskite layer //Journal of materials chemistry A. – 2019. – Т. 7. – №. 14. – С. 8073-8077.