ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время особый интерес вызывают возобновляемые и альтернативные источники энергии, так как они являются экологически чистыми, а традиционные могу в любой момент закончиться. Среди альтернативных и возобновляемых источников повышенный интерес вызывают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии. [1].

В данной работе исследуется возможность использования неорганического слоя NiO в перовскитных фотоэлектрических преобразователях.

Цель: формирование тонких плёнок NiO и последующее исследование их спектральных характеристик.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

Рассмотреть структуру перовскитов и перовскитных солнечных элементов (ПСЭ)

Поиск и изучение литературных данных по свойствам органических и неорганических дырочнопроводящих буферных слоёв в ПСЭ.

Поиск и изучение литературных данных по полупроводниковым свойствам NiO.

Поиск и изучение литературных данных по методам синтеза тонких плёнок оксида никеля.

Формирование тонких плёнок оксида никеля.

Исследование спектральных характеристик полученных образцов и обработка полученных данных.

Перовскиты и перовскитные солнечные элементы

Перовскиты – соединения со структурой минерала CaTiO₃, но имеющие другой катионный состав. Чаще всего данные вещества обладают особыми ценными и важными в практическом применении свойствами: сегнетоэлектрики, антисегнетоэлектрики, ферромагнетики и другие. Наличие этих свойств обуславливается составом и структурой перовскита.

Как правило брутто формулу перовскитов представляют как АВХ₃, где А- двухзарядный катион, а В- четырёхзарядный. [2]. Перовскитный солнечный элемент (ПСЭ) – это фотоэлемент со структурой перовскита.

В настоящее время чаще всего в ПСЭ используют гибридный ограно-неорганический перовскит трийодида метиламмония свинца, т.к. данные СЭ демонстрируют КПД более 20%. Эффективность ПСЭ определяется их архитектурой [3].

Дырочнопроводящие буферные слои

Дырочнопроводящие буферные слои являются важным составляющем в архитектуре большинства ПСЭ. Дырочнопроводящие материалы (ДПМ) бывают органические и неорганические

Существует несколько общих требований, предъявляемых ко всем вида ДПМ:

Высокая прозрачность в видимой области солнечного излучения

Данные материалы должны быть стабильны

Высокая подвижность заряда

Хорошие плёночнообразующие свойства

Повышенный уровень энергии валентной зоны, сопоставимый с уровнем энергии валентной зоны перовскита.

ДПМ также может выступать в качестве защитного слоя перовскита, замедляя процесс деградации СЭ [4].

Тонкие пленки из оксида никеля.

NiO является кубическим, широкополосным полупроводником р-типа с запрещённой зоной в пределах от 3,6 эВ до 4,0 эВ, который используется как ДПМ. Его энергия валентной зоны очень близка к энергии перовскитного слоя (5,4 эВ), что означает, что сгенерированные носители заряда в перовските будут эффективно выводиться в ДПМ. На рис. 3 представлен литературный спектр данного вещества [5].

Получение плёнок оксида никеля

Существует множество различных методов и способов получения тонких плёнок оксида никеля таких как: метод распыленного пиролиза, золь-геля, эмульсионного лазерного осаждения, электроосаждения из водного раствора, плазменный метод и другие.

Спектральные методы исследования характеристик тонких пленок

Рентгеновская дифрактометрия.

Рентгеновская дифрактометрия – один из методов рентгеновского структурного анализа. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникают рассеяния рентгеновских лучей. Данный метод позволяет изучать порошки, тонкие плёнки, массивные монокристаллы и жидкости. Этот метод помогает определить толщину, плотность и шероховатость плёнок [6].

Спектрофотометрия.

Спектрофотометрия – физико-химический метод исследования растворов и твердых веществ. Метод основан на изучении спектров поглощения в УФ (200-400 нм), видимый (400-760 нм) и ИК (760 нм) областях спектров. Спектрофотометрия позволяет определить зависимость интенсивности поглощения света от длины волны. [7].

Анализ экспериментальных Данных

Было получено 4 образца пленок NiO различной толщины. Для данных обраазцов был получен электронный спектр поглощения в диапазоне длин волн 190 – 800 нм с шагом сканирования 1 нм (рис.1(а)). Образцом сравнения была стеклянная подложка. На данном спектре наблюдаются пики около 330 нм. Также по спектру на рис. 4 (а) был построен график зависимости энергии от падающего излучения (эВ). Экстраполируя прямолинейный участок на графике по пересечению с осью абсцисс, получаем значение оптической ширины запрещённой зоны, равное 3,52 эВ, что соответствует запрещённой зоне NiO со структурой γ-типа и не противоречит литературным данным (3,54 эВ, рис1(б)).

Также был проведен рентгеноструктурный анализ частиц оксида никеля.

Диаграмма XRD показывает, что полученные образцы являются однофазными и никаких других примесей, исключая характерные пики NiO фазы (ГЦК), не обнаружено рис2).

Заключение

В данной работе были рассмотрены структуры перовскитов и перовскитных солнечных элементов и изучены литературные данные по свойствам органических и неорганических ДПМ в ПСЭ и по полупроводниковым свойствам NiO

Был осуществлен синтез пленок оксида никеля. Полученные образцы достаточно однородны, обладают оптимальной шириной запрещенной зоны и меньшей степенью поглощения ультрафиолетового и видимого света, что позволяет использовать данные пленки в инвертированных солнечных батареях. Кроме того, рентгеноструктурный анализ показал, что физические фазы полученных частиц NiO имеют высокую чистоту.

Список литературы

Jeon N. J. et al. A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient

and stable perovskite solar cells //Nature Energy. – 2018. – Т. 3. – №. 8. – С. 682.

Salim, T., Sun, S., Abe, Y., Krishna, A., Grimsdale, A. C., & Lam, Y. M. (2015). Perovskite-based solar cells: impact of morphology and device architecture on device performance. Journal of Materials Chemistry A, 3(17), 8943–8969. doi: 10.1039/c4ta05226a 

Гладышев П. П., Кинев В. А., Зеленяк Т. Ю., Мартынов Я. Б. перспективные направления гибридной органо-неорганической перовскитной фотовольтаики, 2019, УДК 620.91.

Yang, Y., Pham, N. D., Yao, D., Zhu, H., Yarlagadda, P., & Wang, H. (2018). Inorganic p-type semiconductors and carbon materials based hole transport materials for perovskite solar cells. Chinese Chemical Letters, 29(8), 1242–1250. doi:10.1016/j.cclet.2018.05.008.

Рентгеновский структурный анализ [Электронный ресурс] // URL: http://www.ibmc.msk.ru/content/Education/w-o_pass/MMoB/11.pdf (дата обращения 16.12.2020).

Оптическая спектроскопия [Электронный ресурс] // OpticView URL: http://opticview.npk-photonica.ru/technologies/optic_spektr/ (Дата обращения 16,12,2020).

Cai C. et al. Enhanced hole extraction by NiO nanoparticles in carbon-based perovskite solar cells //Electrochimica Acta. – 2019. – Т. 312. – С. 100-108.

Qiao H. et al. Preparation and characterization of NiO nanoparticles by anodic arc plasma method //Journal of Nanomaterials. – 2009.

Код для цитирования: Скопировать