Badanie nanostruktur plazmonicznych do zastosowań w fotowoltaice

Podobne dokumenty
Zespolona funkcja dielektryczna metalu

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

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

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

Własności optyczne półprzewodników

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

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

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

Fotowoltaika i sensory w proekologicznym rozwoju Małopolski

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Skaningowy Mikroskop Elektronowy. Rembisz Grażyna Drab Bartosz

Własności optyczne półprzewodników

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

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

Światło fala, czy strumień cząstek?

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków,ul. Reymonta 25

IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO

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

Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk

PL B1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, KRAKÓW, PL BUP 08/07

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Spektroskopia ramanowska w badaniach powierzchni

NOWE TECHNOLOGIE w FOTOWOLTAICE

W stronę plazmonowego wzmocnienia efektów magnetooptycznych

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

Ocena trwałości powłok malarskich i wypraw tynkarskich elewacyjnych, czyli o prowadzeniu badań starzeniowych w Spektrochemie

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Techniki analityczne. Podział technik analitycznych. Metody spektroskopowe. Spektroskopia elektronowa

MIKROSYSTEMY. Ćwiczenie nr 2a Utlenianie

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Przejścia promieniste

Grafen materiał XXI wieku!?

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

Recenzja rozprawy doktorskiej pani magister Marty Marii Siek zatytułowanej Electrochemical preparation of Ag- and Au- based plasmonic platforms

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Funkcjonalne nano- i mikrocząstki dla zastosowań w biologii, medycynie i analityce

Trzy rodzaje przejść elektronowych między poziomami energetycznymi

CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

Podstawy fizyki kwantowej

ZAPROSZENIE DO SKŁADANIA OFERT NA USŁUGĘ: Osadzanie sfałdowanych cienkich warstw Si-DLC i DLC na foliach PEEK i PU

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)

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

METODY BADAŃ BIOMATERIAŁÓW

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

CERAMIKI PRZEZROCZYSTE

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

Powłoki cienkowarstwowe

Badania wybranych nanostruktur SnO 2 w aspekcie zastosowań sensorowych

Światło ma podwójną naturę:

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

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Układy zdyspergowane. Wykład 6

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

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Zapraszamy. Zajęcia w ramach projektu Zostań odkrywcą fizyki, chemii i biologii w przyrodzie warsztaty, eksperymenty, badania.

Elektrochemiczne osadzanie antykorozyjnych powłok stopowych na bazie cynku i cyny z kąpieli cytrynianowych

Marcin Sikora. Temat 1: Obserwacja procesów przemagnesowania w tlenkowych nanostrukturach spintronicznych przy użyciu metod synchrotronowych

Synteza nanocząstek Ag i pomiar widma absorpcyjnego

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Popularne współczesne źródła światła dla medycyny

IV. Transmisja. /~bezet

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ PŁ LABORATORIUM TECHNOLOGII POWŁOK OCHRONNYCH ĆWICZENIE 2

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Laboratorium Ochrony przed Korozją. GALWANOTECHNIKA II Ćw. 6: ANODOWE OKSYDOWANIE ALUMINIUM

WPŁYW POSTĘPU TECHNICZNEGO NA WYDAJNOŚĆ SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH ML SYSTEM S.A.

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Energia emitowana przez Słońce

LABORATORIUM SPEKTRALNEJ ANALIZY CHEMICZNEJ (L-6)


Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

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

Sposób osadzania nanocząstek metalu na powierzchni oraz powierzchnia otrzymana tym sposobem.

Widmo fal elektromagnetycznych

Fizyka i inżynieria materiałów Prowadzący: Ryszard Pawlak, Ewa Korzeniewska, Jacek Rymaszewski, Marcin Lebioda, Mariusz Tomczyk, Maria Walczak

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

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

Technologie laserowe w przemyśle:

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Fizyka 1 Wróbel Wojciech

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Cząstka w pudle potencjału. Jan Bojanowski Nowoczesna synteza i analiza organiczna

Oddziaływanie cząstek z materią

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

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

TECHNOLOGIA WYKONANIA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWOD- NIKOWYCH WYK. 16 SMK Na pdstw.: W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone,

PRODUKTY CHEMICZNE Ćwiczenie nr 3 Oznaczanie zawartości oksygenatów w paliwach metodą FTIR

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Potencjał technologiczny i produkcyjny PCO S.A. w zakresie wytwarzania urządzeń termowizyjnych

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Pracownia Optyki Nieliniowej

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

ĆWICZENIE 9 WŁASNOŚCI OPTYCZNE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH. (1) gdzie υ prędkość rozchodzenia się światła (w próżni wynosi m/s). 1.

Transkrypt:

Badanie nanostruktur plazmonicznych do zastosowań w fotowoltaice Zbigniew Starowicz Promotor: dr hab. Marek Lipiński, prof. PAN Promotor pomocniczy: dr inż. Kazimierz Drabczyk Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk Ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków

Plan prezentacji I. Wprowadzenie teoretyczne II. Możliwości zastosowania w fotowoltaice III. Symulacje i próby wytworzenia nanostruktur plazmonicznych IV. Inne przykłady zastosowań

I. Własności nanocząstek metali Pole elektryczne ne Cząstka metalu Plazmony to kolektywne oscylacje swobodnych elektronów w metalu. Dla pewnych częstotliwości fali wzbudzającej oscylacje te cechuje duża amplituda i występuje tzw. rezonans plazmonowy. Chmura elektronowa http://willets.cm.utexas.edu/images Metale, które przedstawiają najlepsze własności w zakresie światła widzialnego to: - srebro, - złoto, - aluminium, - miedź, - pallad. W przypadku oddziaływania ze światłem mamy do czynienia z dwoma efektami : wzmocnieniem bliskiego pola elektrycznego oraz rozpraszaniem światła.

Znormalizowany przekrój czynny na rozpraszanie I. Rozpraszanie światła przez nanosfery na przykładzie srebra (teoria Mie) Pojedyncza cząstka jest w stanie rozproszyć światło z obszaru kilkukrotnie większego od niej samej. Poza rozpraszaniem występuje także absorpcja części promieniowania. Długość fali [nm] Ostateczne własności optyczne takiej cząstki determinuje rodzaj metalu, kształt, wielkość oraz medium otaczające ( na rysunku medium o n =2 np. TiO 2 ) dlatego mogą być one zmieniane w szerokim zakresie częstotliwości. Q rozpraszanie Znajdując kompromis pomiędzy wielkością przekroju czynnego a ilością światła trafiającą do podłoża, można wytworzyć skuteczną strukturę przeciw odbiciową w skali nano. F podłoże

Wew. sprawność kwantowa [%] II. Wykorzystanie w fotowoltaice Całkowita grubość cienkowarstwowego ogniwa słonecznego nie przekracza kilku mikrometrów. ~ 7μm IMIM PAN Straty na transmisji światła zwłaszcza dla promieniowania długofalowego. Długość fali [nm] Dzięki możliwościom zmian własności cząstek w szerokim zakresie możliwe jest ich wykorzystanie zarówno na przedniej, jak i tylnej powierzchni ogniwa.

Założenia pracy doktorskiej Wyznaczeni własności optycznych metalicznych nanocząstek plazmonicznych poprzez symulacje komputerowe, Wytworzenie nanostruktury plazmonicznej z wykorzystaniem różnych technik umożliwiających sterowanie jej własnościami i dalsza optymalizacja, Aplikacja do ogniw słonecznych.

Transmisja III. Symulacje i próby wytworzenia nanostruktur plamonicznych Pomiar transmisji Transmisja do podłoża krzemowego 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Efekt Fano 0.2 300 500 700 900 1 100 Długość fali [nm] Powierzchnia Bare krzemu surface 160nm Ag Aby otrzymać efekt od nanocząstek trzeba uzyskać gęstość rozmieszczenia rzędu 10 8 /cm 2 czyli kilkanaście procent pokrycia powierzchni.

III. Podłoże dielektryczne TiO 2 Prekursorem warstwy jest substancja ciekła o składzie : -50ml alk. etylowy, - 1ml of 40% kwasu solnego, - 5ml ortotytanianu tetraethylu. Po rozwirowaniu powstaje warstwa o grubości kilkudziesięciu nanometrów. Warstwa następnie jest wygrzewana 200 C przez 10 minut. Zmieniając koncentrację roztworu i szybkość rozwirowania można łatwo otrzymać warstwy o grubościach kilkadziesiąt do sto nanometrów. Warstwa często zawiera mikro defekty o znikomym znaczeniu, Powierzchnia takiej warstwy TiO 2 jest słabo zwilżalna.

III. Metoda pękających cienkich warstw Naparowana warstwa srebra o grubości ~11 20 nm wygrzewana w ochronnej atmosferze. Bezprądowe osadzanie srebra: 200 C 300 C Ag 2 O + glukoza 2 Ag + kwas organiczny Po zapewnieniu jednakowych warunków grzewczych, prosta metoda Zapewnia dużą gęstość cząstek Półsferyczny kształt cząstek. Reakcja srebrzenia powszechnie stosowana w przemyśle Rozrzut wielkości cząstek i uśredniony efekt Ograniczone możliwości kontroli Możliwe interakcje między cząstkami. Niejednorodne zarodkowanie przy metodzie bezprądowej i brak precyzyjnej kontroli grubości.

Znormalizowana Ekstynkcja III. Roztwory kolidalne Długość fali [nm] nonocomposix.com Spin coating rozwirowanie roztworu na próbce. Po kilkukrotnym wstrzykiwaniu roztworu na wirującą płytkę udało się osiągnąć następującą nanostrukturę Roztwory koloidalne pozwalają na znacznie lepszą kontrolę własności cząstek Trudność w otrzymaniu dużej gęstości cząstek Materiały, na których osadza się cząstki są często hydrofobowe

III. Modyfikacja ładunku powierzchniowego mer PAH Absorbancja w szkle 30min 20min 10min Winky L W Hau, J. Micromech. Microeng. 13 (2003) 20min bez modyfikacji Dobra kontrola adsorbcji w zależności od czasu jej trwania Metoda dosyć czasochłonna Długość fali [nm]

III. Osadzanie fotochemiczne Foton UV Ag + Kationy srebra dostarczane są prze zanurzenie płytki roztworze wodnym AgNO 3 o stężeniu zaledwie 0,1 5 mm warstwa TiO 2 Parametry wpływające na mikrostrukturę to czas i natężenie naświetlania oraz stężenie roztworu Małe zużycie materiału Łatwe przystosowanie do produkcji Jak na razie proces nie skontrolowany Konieczne wyeliminowanie mikro nie jednorodności.

Znormalizowany przekrój czynny III. Dalsze plany badawcze 1. Dopracowanie metod osadzania : powtarzalny sposób wygrzewania cienkich warstw i dalsza charakteryzacja, osadzanie mniejszych cząstek na zmodyfikowanej powierzchni, przebadanie otrzymanych próbek i zamiana lasera na lampę UV. 2. Badania optyczne wyznaczenie współ. transmisji, odbicia i absorpcji 3. Symulacje komputerowe: Ekstynkcja Rozpraszanie Absorbcja Szczegółowe badania własności cząstek Optymalizacja grubości podłoża dielektrycznego Modelowanie otrzymanych struktur 4. Aplikacja do ogniw słonecznych Długość fali [nm] T. Temple. Solar Energy Materials and Solar Cells Volume 93, Issue 11

IV. Inne zastosowania hν L Spektroskopia Ramana hν S hν S = hν L +/- hν M Moc nieelastycznego rozpraszania P S (ν S ) = Nσ RS I(ν L ) To niezwykle nieprawdopodobny proces SERS efekt Powierzchniowo wzmocniona Spektroskopia Ramana Wzmocnione bliskie pole Dzięki zastosowaniu podobnych nanostruktur możliwe było osiągnięcie wzmocnienia sygnału rozproszonego o 10 rzędów wielkości.

Absorpcja [cm -1 ] IV. Bezlekowa terapia przeciwrakowa Rezonansowemu wzmocnieniu bliskiego pola towarzyszy wzrost temperatury, który powoduje zabicie komórek rakowych 10 1 okno optyczne H 2 O r2 SiO 2 r 1 Au 0.1 HbO 2 0.01 Hb 400 500 600 700 800 900 1000 Długość fali [nm] N.J. Halas, Nanomedicine and light: Towards drug free cancer therapy, 2009 Sarid D. and Challenger W., Modern Introduction to Surface Plasmons, Cambridge Univ.Press, 2010 Nanocząstki złota można przyłączyć do przeciwciał i przetransportwać w okolice nowotworu.

IV. tylko laser tylko nanoshells laser + nanoshells Kalceina AM (barwi tylko żywe komórki) Hirsh L.R. et al.. Proc. Nat. Acad. Sci. 100 (2003) 13549 Testy na myszach Wielkość guza Nieleczony Średnia przeżywalność : - nieleczone 10 dni, - naświetlane tylko laserem 12,5 dnia, - Nanoshell + laser - 100% osobników dożywa końca eksperymentu (60 dni). N.J. Halas, Nanomedicine and light: Towards drug free cancer therapy, 2009

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ