Регистрация / Вход
Прислать материал

Формирование оксидных фотовольтаических гетероструктур нового поколения

Общие сведения
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Название доклада
Формирование оксидных фотовольтаических гетероструктур нового поколения
Исполнитель проекта
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
Докладчик (участник)
Участник
Лашкова Наталья Алексеевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка, создание и исследование новых фотовольтаических элементов на основе оксидных гетероструктур для гибкой электроники.
Для реализации цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка принципов создания фотовольтаических элементов на основе оксидных гетероструктур, способных эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую;
2. Формирование гетероструктур на основе оксида цинка ZnO;
3. Исследование их электрофизических свойств;
4. Формирование системы фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Актуальность и новизна исследования
Впервые ставится задача разработки высокоэффективных солнечных элементов на основе оксидных гетероструктур с использованием дешевых экологически чистых материалов и технологий. Разработанные научно-технические решения будут защищены патентами РФ.
Описание исследования

Актуальными задачами XXI века являются вопросы решения долгосрочных энергетических проблем, связанных с исчерпаемостью традиционных источников энергии и ухудшением экологического состояния Земли.

В промышленно развитых странах уделяется большое внимание разработке энергетических систем на основе возобновляемых источников энергии, в том числе энергии Солнца. По данным [Афанасьев В.П., Теруков Е.И., Шерченков А.А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. 168 с.] к 2020 г. сектор солнечной энергетики составит ~10% от мирового энергопотребления. За последние 20-30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем ≈25%. Основная причина неконкурентоспособности – экономическая – дороговизна вырабатываемой энергии. Цена на электроэнергию, вырабатываемую фотовольтаикой, составляет 20-65 евроцентов/кВт·ч. Цена на электроэнергию, вырабатываемую традиционными источниками энергии, составляет в настоящее время 2-3,5 евроцентов/кВт·ч и по прогнозам к 2020 г. возрастет до 5-6 евроцентов/кВт·ч. Таким образом, для того, чтобы фотовольтаика могла конкурировать с ископаемыми источниками энергии, цена на вырабатываемую ею электроэнергию должна быть снижена примерно в 5-10 раз. Для этого необходимо разработать эффективные, дешевые технологии и конструкции фотоэлектрических преобразователей.

Применение солнечной энергетики в труднодоступных удаленных регионах и в гибкой электронике уже в настоящее время является экономически оправданным.

Для повышения эффективности фотопреобразования необходимо решить фундаментальные вопросы поиска новых материалов и структур. Среди новых перспективных фотоактивных материалов особое место занимают оксидные полупроводники и гетероструктуры на их основе. Преимуществом оксидных систем является их экологичность в процессе производства, эксплуатации и утилизации. К настоящему времени отсутствуют развитые теоретические представления о кинетике и термодинамике формирования многослойных оксидных структур. Кроме того, остаются дискуссионными вопросы деградации свойств оксидных структур со встроенным электрическим полем, так как в таких структурах протекают процессы электронного и ионного транспорта, сопровождающиеся окислительно-восстановительными реакциями. Дополнительным вопросом, имеющим не только теоретическое, но и практическое значение для всех видов преобразователей, является адгезионная совместимость, высокая проводимость и прозрачность токосъемных электродов. Выбор электродов зависит от реализации конкретных конструкций, но в оксидных системах он принципиально разрешим благодаря вариативности свойств оксидов различных металлов и управлению отклонением от стехиометрии.

Оксид цинка ZnO – широкозонный полупроводник с Eg≈3.94 эВ при T=0 К и (3.37±0.01) эВ при комнатной температуре, обладающий n-типом электропроводности. Основная структурная модификация – вюрцит. С развитием нанотехнологий наблюдается резкое повышение интереса к оксиду цинка, на основе которого могут быть созданы новые наноматериалы, обладающие уникальными свойствами. 

В качестве второго оксидного полупроводника был выбран оксид меди CuO.

Результаты исследования

В работе было изучено влияние зародышевых слоев на рост наноструктур ZnO при формировании их методом гидротермального синтеза. С целью улучшения адгезионной прочности получаемых наноструктурированных покрытий проведены эксперименты по выращиванию наностержней ZnO с использованием наночастиц металлов и синтез нанообъектов ZnO на различных подложках в условиях изменения состава исходного раствора для гидротермального синтеза.

Синтез тонких слоев CuO для создания гетероконтакта ZnO/CuO проводился с помощью спрей-пиролиза, SILAR и золь-гель-метода. Установлено, что золь-гель-технология является оптимальной для нанесения тонких слоев оксида меди, так как не требует высоких температур синтеза и позволяет сохранять структуру слоя ZnO, необходимую для создания объемного гетероперехода.

Измерение вольт-амперных характеристик показали, что качество верхнего металлического электрода оказывает существенное влияние на наблюдение фотовольтаического эффекта. 

С целью изучения механизмов формирования материалов и создания воспроизводимой технологии формирования структур разработаны методики оценки качества материалов и структур с помощью локальных методик атомно-силовой микроскопии.

Разработана методика косвенного построения ВАХ, позволяющая ограничить время протекания электрических токов через локальные области поверхности образца и, следовательно, исключить их разогрев.

Созданный комплекс экспериментальной методики и программных продуктов полезен при характеризации окислительных процессов в зернах поликристаллических полупроводниковых слоев, а также для оценки типа электропроводности и положения p-n-перехода внутри зерна.

В рамках работы также были проведены исследования пьезоэлектрических свойств наноструктурированных покрытий ZnO. По результатам исследований был разработан способ, позволяющий оценить адгезионную прочность наноструктурированного покрытия на основании данных силовой микроскопии пьезоотклика.

Практическая значимость исследования
Реализация предлагаемого в проекте технического решения обеспечит создание фотовольтаических элементов нового поколения с эффективностью >10%. Использование дешевых экологически чистых материалов и технологий позволит снизить себестоимость конечного продукта. Такие разработки могут быть применены во многих областях науки и техники, включая smart-одежду для военнослужащих и специалистов, работающих в труднодоступных районах.