Введение к работе
Актуальность. Одной задач физики конденсированного состояния является создание новых материалов и структур с заданными свойствами для практического использования. Для Республики Таджикистан с его ограниченными углеводородными запасами, и в целом, в мире, по мере углубления и развития энергетического кризиса, все более актуальной становится проблема разработки новых технологий в использовании солнечной энергии и создания солнечных элементов на основе новых материалов и структур.
Солнечное излучение – широко распространенный и чистый источник энергии, поэтому надежное обеспечение электричеством без углерода является главной целью технического прогресса солнечных элементов.
Нанотехнологии предлагают новые и интересные методы для решения проблемы создания эффективных наноструктурных солнечных элементов. Как известно, наиболее распространенными являются солнечные элементы на основе кремния, а также арсенида галлия, селенида кадмия и многих других полупроводниковых материалов. В последние годы приобретают большую популярность фотоэлементы на основе органических полупроводников материалов, например оранжевого азокрасителя (такие молекулярные полупроводники как перилин и фталоцианин, или полупроводниковые полимеры, такие как полифенилинилиден или политиофен p-типа и фуллерен n-типа).
Однако имеется проблема эффективного использования потока солнечного света по всему диапазону длин волн спектра солнечной радиации при преобразовании в электрическую энергию. Решение этой проблемы видится в создании наноструктур на поверхности фотоэлемента, которые позволяют максимально использовать поток солнечной энергии.
Одной из проблем крупномасштабного производства является необходимость получения однородных и гладких плёнок на большой площади, эффективно поглощающих солнечную радиацию. Наноструктурированные покрытия позволяют решить эту комплексную проблему и повысить эффективность солнечных элементов, благодаря увеличению количества поглощаемого света, а также увеличению переноса заряда свободных носителей.
Цель диссертационной работы заключается в создании оптимизированного солнечного элемента с наноструктурированным покрытием на основе нанопорошка карбида кремния, синтезированного
методом золь-гель, для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
Основные задачи исследования:
-
Разработка технологии получения наноструктурированного карбида кремния с заданными параметрами на основе метода золь-гель.
-
Создание солнечных элементов с повышенной эффективностью на основе полученного наноструктурированного карбида кремния.
-
Исследование физических свойств полученных материалов и структур.
-
Создание солнечного элемента и исследование его основных параметров.
Таким образом, в диссертационной работе проведено сравнение известных наноструктурированных солнечных элементов на основе карбида кремния, а также исследован ряд особенностей процесса золь-гель для синтеза нанопорошка карбида кремния. На этой основе разработана эффективная и малозатратная технология получения нанопорошков карбида кремния методом золь-гель. Проведено исследование нанопорошковых образцов карбида кремния в процессе получения, а также после их отжига при различных температурах с целью получения нанокристаллов различных размеров. Физические свойства полученных образцов исследовались с использованием современных способов и методов (сканирующей и силовой электронной микроскопии, рентгенофазного анализа и инфракрасной Фурье-спектроскопии).
Проведен анализ физических принципов создания
наноструктурированных солнечных элементов и принципов их работы. Созданы солнечные элементы и проведена оценка их эффективности.
Научная новизна в работе:
-
Изготовлен нанокристаллический карбид кремния требуемой структуры и размеров наночастиц для использования в солнечных элементах.
-
Получены наноструктурированные рассеивающие слои на основе нанокристаллического карбида кремния и оксида титана, которые служат для увеличения эффективности поглощения солнечной радиации фотоэлементом.
-
Обосновано использование нанокристаллического карбида кремния для увеличения эффективности солнечных фотоэлементов
-
Определены плотность тока, ток короткого замыкания и напряжение холостого хода для образцов солнечных элементов с рассеивающим наноструктурным слоем и без этого слоя.
5. Определены фактор заполнения и эффективность наноструктурных солнечных элементов. Показано увеличение эффективности солнечного элемента при использовании наноструктурированного рассеивающего слоя на основе нанокристаллического карбида кремния.
Достоверность полученных результатов и выводов в работе обеспечивается применением широко известных методик и установок, используемых в научных исследованиях, применением технологий и методов получения наноструктурных материалов для реализации поставленных задач. Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных технологий и принципов создания материалов и приборных элементов на основе наноструктурированного карбида кремния для получения высокоэффективных солнечных элементов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Проведены экспериментальные исследования влияния технологических факторов синтеза наноструктурированных покрытий с использованием нанокристаллического карбида кремния и диоксида титана на физические параметры солнечного элемента, изготовленного на их основе. Определены оптимальные режимы формирования наноструктурированных покрытий, позволяющие получить структуры, обеспечивающие наибольшую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
-
Усовершенствована технология золь-гель синтеза нанопорошка карбида кремния при постоянном контроле состава исходных материалов, а также структуры синтезированных образцов, их текстуры и пористости методами сканирующей электронной и силовой микроскопии, а также инфракрасной Фурье-спектрометрии.
-
Разработана технология получения нанокристаллического порошка карбида кремния методом отжига, проведена оптимизация режима отжига с целью обеспечения формирования оптимальных размеров нанокристаллов карбида кремния методами рентгеновской дифрактометрии.
-
Впервые созданы солнечные элементы с использованием наноструктурированных рассеивающих слоёв, сформированных на основе нанокристаллического порошка карбида кремния, полученного методом золь-гель и последующем отжигом, с добавлением диоксида титана, позволяющего увеличить эффективность солнечных элементов.
-
Определены эффективности созданных солнечных элементов, их вольт-амперные характеристики и фактор заполнения. Показан
существенный рост эффективности наноструктурированных солнечных элементов с рассеивающими слоями (до 5.4%).
Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором диссертации.
Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следущих семинарах и конференциях: Международной научно-практической конференции «Комплексный подход к использованию и переработке угля», Душанбе, 4-7 июня 2013 года, Международной конференции по физике конденсированного состояния, посвященной 85-летию академика А.Адхамова, Душанбе, 15-17 октября 2013 года, Международной научной конференции «НАНО-2014», посвящённой 90-летию столицы Республики Таджикистан города Душанбе (25 декабря 2014 г. ТНУ), а также на физическом семинаре Физико-технического института им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан.
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 7 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований. Работа изложена на 111 страницах основного текста, а также содержит 35 рисунков, 15 таблиц, 33 диаграммы.