MATERIAŁY I WIELOWARSTWOWE STRUKTURY OPTYCZNE DO ZASTOSOWAŃ W FOTOWOLTAICE ORGANICZNEJ (WYBRANE ZAGADNIENIA MODELOWANIA, POMIARÓW I REALIZACJI)

Podobne dokumenty
Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

Spektroskopia modulacyjna

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Grafen materiał XXI wieku!?

Spektroskopia molekularna. Spektroskopia w podczerwieni

Organiczne ogniwa słonecznes. Ogniwa półprzewodnikowe. p przewodnikowe zasada ania. Charakterystyki fotoogniwa

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk

Wyznaczanie parametrów baterii słonecznej

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Krawędź absorpcji podstawowej

Przejścia promieniste

JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

SKUTECZNOŚĆ IZOLACJI JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

Ćwiczenie 1. Zagadnienia: spektroskopia absorpcyjna, prawa absorpcji, budowa i działanie. Wstęp. Część teoretyczna.

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Przejścia optyczne w strukturach niskowymiarowych

Diody elektroluminescencyjne na bazie GaN z powierzchniowymi kryształami fotonicznymi

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Ćwiczenie 3 WPŁYW NASŁONECZNIENIA I TECHNOLOGII PRODUKCJI KRZEMOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH NA ICH WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Badanie dynamiki rekombinacji ekscytonów w zawiesinach półprzewodnikowych kropek kwantowych PbS

Zastosowanie spektroskopii UV/VIS do określania struktury związków organicznych

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Szkła specjalne Wykład 11 Metoda zol żel, aerożele Część 3 Cienkie warstwy nieorganiczne wytwarzane metodą zol żel

Część 1. Wprowadzenie. Przegląd funkcji, układów i zagadnień

CIENKIE WARSTWY prof. dr hab. inż. Krzysztof Patorski

EKSTRAHOWANIE KWASÓW NUKLEINOWYCH JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

IV. Transmisja. /~bezet

Złącze p-n. Stan zaporowy

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 10-PV MODUŁ FOTOWOLTAICZNY

Badanie baterii słonecznych w zależności od natężenia światła

Ćwiczenie 31. Zagadnienia: spektroskopia absorpcyjna, prawa absorpcji, budowa i działanie. Wstęp

Badanie uporządkowania magnetycznego w ultracienkich warstwach kobaltu w pobliżu reorientacji spinowej.

Marek Lipiński WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WARSTW I OBSZARÓW PRZYPOWIERZCHNIOWYCH NA PARAMETRY UŻYTKOWE KRZEMOWEGO OGNIWA SŁONECZNEGO

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR (Attenuated Total Reflection)

Organiczne ogniwa słonecznes. Tydzień temu. Energia słonecznas

Wprowadzenie do ekscytonów

1. Nanocząstki półprzewodnikowe do zastosowań fotowoltaicznych. Dlaczego nanocząstki półprzewodnikowe? Jaki problem chcemy rozwiązać?

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

Rozmycie pasma spektralnego

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

Badanie nanostruktur plazmonicznych do zastosowań w fotowoltaice

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS. (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Badanie ogniw fotowoltaicznych

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 6a

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

L E D light emitting diode

VI. Elementy techniki, lasery

wymiana energii ciepła

Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

VIII Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2015 Lublin, dnia 18 listopada 2015 roku

Ćwiczenie Nr 5. Badanie różnych konfiguracji modułów fotowoltaicznych

Pomiary widm fotoluminescencji

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Efekt fotoelektryczny

Elektronika z plastyku

Technologia ogniw paliwowych w IEn

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

BADANIA MODELOWE OGNIW SŁONECZNYCH

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Ćw. 11 wersja testowa Wyznaczanie odległości krytycznej R 0 rezonansowego przeniesienia energii (FRET)

Ćwiczenie 30. Zagadnienia: spektroskopia absorpcyjna w zakresie UV-VIS, prawa absorpcji, budowa i. Wstęp

Metody optyczne w medycynie

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Skręcenie wektora polaryzacji w ośrodku optycznie czynnym

PRACOWNIA CHEMII. Wygaszanie fluorescencji (Fiz4)

BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

ZASTOSOWANIE LASERÓW W OCHRONIE ŚRODOWISKA

Transkrypt:

MATERIAŁY I WIELOWARSTWOWE STRUKTURY OPTYCZNE DO ZASTOSOWAŃ W FOTOWOLTAICE ORGANICZNEJ (WYBRANE ZAGADNIENIA MODELOWANIA, POMIARÓW I REALIZACJI) Ewa Gondek

Rys.1 Postęp w rozwoju ogniw fotowoltaicznych (National Renewable Energy Laboratory, NREL*). *) http://commons.wikimedia.org/wiki/file:best_research-cell_efficiencies.png

Organiczne komórki fotowoltaiczne (a) Komórka jednowarstwowa. (b) Komórka dwuwarstwowa. Rys. 2 Rodzaje organicznych komórek fotowoltaicznych.

Organiczne komórki fotowoltaiczne (c) Komórka z heterostrukturą objętościową. (d) Komórka wielowarstwowa z heterostrukturą objętościową. Rys. 2 Rodzaje organicznych komórek fotowoltaicznych.

Rys.3 Schemat komórki fotoogniwa organicznego.

(a) struktura prosta, (b) struktura odwrócona. Rys.4 Układ poziomów energetycznych w dwuwarstwowej komórce fotowoltaicznej.

PARAMETRY FOTOOGNIWA Moc maksymalna dostarczana przez fotoogniwo: P max =U MPP I MPP. (1) Współczynnik wypełnienia (ang. fill factor): FF U U MPP oc I I MPP sc (2) Sprawność fotoogniwa: P P max sw U MPP P I sw MPP FF U P oc sw I sc (3) P sw jest gęstością mocy padającego światła, standaryzowaną do wartości 1000W/m 2 z spektralnym rozkładem mocy odpowiadającym promieniowaniu słonecznemu na powierzchni Ziemi przy kącie padania 48,19 (AM 1.5).

Problemy naukowe, którymi zajmowałam się po obronie doktoratu to:

Badania związków niskocząsteczkowych do zastosowań w fotowoltaice Możliwe podstawniki Rj: H, Cl, F, Br, CH3, C6H5, N-C6H5, C2H3, OCH3, C2H5, COOC2H5, Gdy liczba możliwych podstawników wynosi X, to liczba możliwych kombinacji cząsteczek wynosi X 9. Rys.6 Struktura cząsteczki 1H-pirazolo[3,4-b]chinoliny. Wpływ rodzajów podstawników i ich kombinacji na właściwości fotoluminescencyjne i absorpcyjne cząsteczki jest wyznaczany w wyniku modelowania kwantowo-chemicznego a następnie weryfikowany eksperymentalnie. Podstawowymi zagadnieniami analizowanymi z zastosowaniem modeli kwantowochemicznych były: konformacje molekuł pochodnych PQ, kształty i położenia widm absorpcyjnych i fotoluminescencyjnych oraz właściwości elektronowe a w tym kształty orbitali molekularnych, momenty dipolowe i poziomy energetyczne HOMO-LUMO.

Rys. 7 Konformacja molekuły PQ [H2]. Rys. 8 Wpływ ułożenia pierścienia Ph2 na widma absorpcyjne.

Rys.9 Widma absorpcyjne, eksperymentalne i wyliczone. Połączenie półempirycznej metody AM1 oraz dynamiki molekularnej daje najlepszą zgodność pomiędzy eksperymentem i teorią.

Rys.10 Eksperymentalne i teoretyczne widma absorpcyjne (a) i fotoluminescencyjne (b) dimeru BAPQD w wybranych rozpuszczalnikach polarnych. CHX cykloheksan, CF chloroform, THF tetrahydrofuran i ACN acetonitryl [H4]. Rys.11 Zależność napięcia obwodu otwartego U OC od momentu dipolowego [H7].

Zastosowania nanokrystalitów w strukturach fotowoltaicznych Rys.12 Komórka fotowoltaiczna z hybrydową warstwą aktywną.

Charakteryzacja nanokrystalitów TiO 2 Rys.13 Dyfraktogramy XRD otrzymane dla mieszaniny nanocząstek TiO 2 wygrzewanych odpowiednio w temperaturze 400 i 500 C [H9]. Rys.14 Widma Ramana mieszaniny nanocząstek TiO 2 dla różnych temperatur wygrzewania. (A) anataz, (B) brukit [9]. Rys.15 Widma TEM mieszaniny nanocząstek TiO 2 [9].

Hybrydowe komórki fotowoltaiczne Rys.16 Charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniw z hybrydowymi warstwami aktywnymi zawierającymi TiO 2 [H9]. Rys.17 Charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniw z hybrydowymi warstwami aktywnymi zawierającymi ZnO [H10].

Mezoporowate warstwy TiO 2 do zastosowań w komórkach fotowoltaicznych Rys.18 Procesy w metodzie zol-żel.

Warstwy TiO 2 Metoda zol-żel pozwala kształtować strukturę wytwarzanego materiału w szerokim zakresie. Porowatość P materiału warstwy wyznaczano korzystając ze wzoru Lorentza-Lorenza: n n 2 2 1 2 P n (1 ) 100% n 2 d 2 d 1 gdzie n d jest współczynnikiem załamania anatazu 2.52. Współczynnik załamania warstwy n mierzono elipsometrycznie. 2 (4)

Warstwy TiO 2 Rys.20 Charakterystyki transmisyjne porowatego TiO 2 [H11]. Rys.22 Charakterystyki transmisyjne kompaktowego TiO 2 [H11].

Warstwy TiO 2 Rys.21 Zależność współczynnika absorpcji (h) 1/2 od energii fotonu [H11]. Szerokość optycznej przerwy zabronionej Eg wyznaczono ze wzoru Tauca: h C h E h C jest stałą, a=1 dla prostych przejść pomiędzy pasmem walencyjnym i pasmem przewodzenia. a=4 dla przejść skośnych. g a 2 (5)

Szerokość przerwy energetycznej nanokrystalitów można w pewnym zakresie kształtować w procesach technologicznych. Dla nanokrystalitów obserwowany jest kwantowy efekt rozmiarowy. E 2 2R 2 2 1 m e 1 m h 1.786 e 2 4 R 0 0.248 * E Ry (6) E jest przesunięciem przerwy energetycznej w kierunku ultrafioletu spowodowanym dwoma konkurencyjnymi efektami; tj. poszerzeniem przerwy energetycznej w wyniku efektu Bursteina-Mossa i jej zawężeniem spowodowanym rozpraszaniem typu elektron-elektron i elektron-jon.

Wpływ podłoża sodowo-wapniowego na właściwości warstwy TiO 2. Rys.23 Wpływ szybkości wynurzania na grubość i współczynnik załamania warstwy TiO 2. Podłoże S-W. Rys.24 Zależność optycznej przerwy zabronionej TiO 2 od grubości warstwy dla przejść prostych. Podłoże S-W.

Wpływ podłoża sodowo-wapniowego na właściwości warstwy TiO 2. Rys.25 Zależność optycznej przerwy zabronionej TiO 2 od grubości warstwy dla przejść skośnych. Podłoże S-W. Rys.26 (a) Zależność przesunięcia przerwy energetycznej dla przejść skośnych od średnicy nanokrystalitu. (b) Zależność średnicy nanokrystalitów od grubości warstwy TiO 2.

Rys.27. (a) Obraz AFM powierzchni warstwy TiO 2 na podłożu sodowowapniowym. (b) profil powierzchni. Grubość warstwy TiO 2 d=38.2nm.

Warstwy TiO 2 na podłożu sodowo-wapniowym z warstwą buforową SiO 2. Rys.28 Wpływ szybkości wynurzana podłoża z zolu na grubość warstwy SiO 2. Rys.29 Zależność szerokości przerwy energetycznej dla przejść prostych dla TiO 2 od grubości warstwy buforowej SiO 2. W każdym przypadku grubość warstwy TiO 2 wynosiła d=34nm.

d SiO2 =97nm. RMS=0.421 nm. d SiO2 =266nm. RMS=0.523 nm. Rys.30 Obrazy AFM powierzchni warstw TiO 2 na podłożu sodowowapniowym z buforową warstwą SiO 2. Grubość warstwy TiO 2 d=34 nm, d SiO2 =1180nm. RMS=0.520 nm.

Modelowanie optycznych struktur wielowarstwowych (7) Rys.31Schemat optycznej struktury wielowarstwowej. Z zastosowaniem metody macierzy 22 zbudowano optyczny model komórek fotowoltaicznych.

Optyczna optymalizacja struktur fotowoltaicznych

Rys.33 Zespolone współczynniki załamania warstw składowych komórki fotowoltaicznej. Rys.34 (a) Charakterystyki spektralne promieniowania słonecznego, (b) moc promieniowania słonecznego absorbowana w warstwie aktywnej. Dla długości fali =450nm absorbowana jest maksymalna moc promieniowania słonecznego w warstwie aktywnej.

G j I j n E ( x' ) j j ( x') I 2 n E c 0 ( x') j Pj ( x') j ji j ( x') hc hc 2 0 (a) Rys.35 Rozkłady unormowanych kwadratów natężenia pola elektrycznego (a) i gęstości wzbudzanych ekscytonów (b) w komórce fotowoltaicznej. Polaryzacja s. szkło/ito(120nm)/pedot:pss(120nm/ac_l(45nm)/al.(100nm), =450nm[H14]. (b)

G j I j n E ( x' ) j j ( x') I 2 n E c 0 ( x') j Pj ( x') j ji j ( x') hc hc 2 0 (a) Rys.36 Rozkłady unormowanych kwadratów natężenia pola elektrycznego (a) i gęstości wzbudzanych ekscytonów (b) w komórce fotowoltaicznej. Polaryzacja p. szkło/ito(120nm)/pedot:pss(120nm/ac_l(45nm)/al.(100nm), =450nm[H14]. (b)

G surf d 0 G( x) dx Rys.37 Wpływ grubości warstwy ITO na gęstość powierzchniową wzbudzanych ekscytonów. d PEDOT:PSS =100nm, =0, =450nm. Rys.38Wpływ grubości warstwy PEDOT:PSS na gęstość powierzchniową wzbudzanych ekscytonów. d ITO =120nm, =0 =450nm.

Rys.39 Wpływ grubości warstw PEDOT:PSS i Ac_L na gęstość powierzchniową wzbudzanych ekscytonów. szkło/ito(120nm)/pedot:pss(60nm)/ac_l/al(100nm), Optymalizacja grubości warstw składowych komórki fotowoltaicznej jest niezbędna dla osiągnięcia wysokiej gęstości wzbudzanych ekscytonów. Rys.40 Relacje pomiędzy grubościami PEDOT:PSS i Ac_L, którym odpowiadają maksymalne gęstości wzbudzanych ekscytonów.

Rys. 41 Wpływ grubości warstwy aktywnej na gęstość powierzchniową ekscytonów dla wybranych kątów oświetlenia [H14]. szkło/ito(120nm)/pedot:pss(114nm)/ac_l/al(100nm). Rys.42 Wpływ współczynnika ekstynkcji warstwy aktywnej na gęstość powierzchniową ekscytonów [H14]. szkło/ito(120nm)/pedot:pss(60nm)//ac_l/al(100nm).

d Ac_L =220nm d Ac_L =85 nm Rys.43 Rozkłady unormowanych kwadratów natężenia pola elektrycznego i gęstości wzbudzanych ekscytonów w komórce fotowoltaicznej: szkło/ito(120nm)/pedot:pss(60nm)/ac_l/al(100nm),

Wpływ podłoża i kąta oświetlenia Rys.41 Wpływ współczynnika załamania podłoża na gęstość powierzchniową ekscytonów [H16].

Wpływ podłoża i kąta oświetlenia Rys.45 Wpływ kąta oświetlenia komórki fotowoltaicznej na liczbę zaabsorbowanych fotonów. n b =1,525

Wykonane komórki fotowoltaiczne Rys.46 Charakterystyki I-U komórek f-w o wybranych grubościach warstwy aktywnej i grubości warstwy PEDOT:PSS 50 nm [H1]. Rys.47 Charakterystyki I-U komórek f-w dla różnych współczynników ekstynkcji warstwy aktywnej [H1].

Rys.49 Schemat kryształu fotonicznego. Rys.50 Charakterystyki dyspersyjne szkła S-W. Rys.51 Zespolony współczynnik załamania krzemionki i ditlenku tytanu.

Oświetlenie prostopadłe Rys.52 Wyliczone charakterystyki odbiciowe dla różnej liczby dwuwarstw (a). Wpływ liczby dwuwarstw na współczynnik odbicia dla rezonansowej długości fali (b) [H17]. Rys.53 Wyliczone rozkłady amplitudy mocy optycznej w strukturze kryształu fotonicznego dla różnych katów oświetlenia dla rezonansowej długości fali. P=7 [H17].

Oświetlenie prostopadłe Rys.54 Wyliczone charakterystyki transmisji i odbicia dla struktury (HL) 5 /GS/(LH) 5 i (HL) 5 /GS.

Oświetlenie ukośne Rys.55 Wpływ kąta oświetlenia na charakterystyki odbiciowe struktury (HL) 5 /GS/(LH) 5. (a) polaryzacja s, (b) polaryzacja p.

Wykonane struktury fotoniczne Rys.56 Charakterystyki odbiciowe i transmisyjne struktury (HL) 4 /GS/(LH) 4. Rys.57 Charakterystyki odbiciowe i transmisyjne struktury (HL) 5 /GS/(LH) 5.

Wykonane struktury fotoniczne Rys.58Wpływ kąta oświetlenia na charakterystyki odbiciowe struktury (HL) 5 /GS/(LH) 5.

Dziękuję za uwagę.