Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0097

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0097
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет"
Название доклада
Изготовление экспериментальных образцов органических солнечных батарей
Докладчик
Батаев Анатолий Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данной работы является создание технологии получения нового класса солнечных батарей на органической основе, включая гибридные солнечные батареи, сенсибилизированные красителем, полимерные солнечные батареи с акцепторами на основе фуллеренов и полностью полимерные солнечные батареи.
Целью четвертого этапа являлось применение разработанной на предыдущих этапах in-situ камеры для создания органических солнечных батарей с объемным гетеропереходом P3HT-PCBM.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
- разработка лабораторного регламента изготовления органических солнечных батарей системы P3HT:PCBM с использованием in-situ камеры на основании полученных ранее данных;
- получение экспериментальных образцов органических солнечных батарей;
- исследование структуры поверхности образцов органических солнечных батарей на наноуровне.
Актуальность и новизна исследования
В последние годы органические фотовольтаические устройства на основе сопряженных полимеров активно исследуются по причине наличия определенных преимуществ по сравнению с обычными неорганическими устройствами. В первую очередь это касается возможности использования для их изготовлений технологий массового производства (технологии прокатки roll-to-roll, печати). Однако, солнечные элементы на основе полимерных материалов обладают меньшей по сравнению с неорганическими солнечными элементами энергоэффективностью. Необходимо отметить, что полное понимание функциональности органических активных слоев на основе сопряженных полимеров еще не достигнуто. В связи с этим, изучение процессов формирования микроструктуры позволит улучшить контроль и оптимизацию морфологии и повысить их эффективность и производительность.
Несмотря на меньший КПД и долговечность, органические солнечные батареи могут иметь существенные конкурентные преимущества перед неорганическими батареями за счет применения технологий массового производства. Однако, в настоящее время на рынке практически отсутствует предложение таких солнечных элементов.
Описание исследования

В результате проведенных на предыдущих этапах выполнения прикладных научных исследований была изготовлена in-situ камера, позволяющая в режиме реального времени контролировать структуру и вольт-амперные характеристики активного слоя органических солнечных батарей. Дальнейшие исследования показали, что органические солнечные батареи, объемный гетеропереход которых состоит из смеси P3HT-PCBM, имеют высокую стабильность при действии различных неблагоприятных факторов внешней среды (высокая температура, влажность). Кроме того, данная смесь является одной из наиболее изученных систем с объемным гетеропереходом, позволяющим преодолеть физическое ограничение в виде малой длины свободного пробега экситонов (порядка 100 нм), КПД которой достигает нескольких процентов. Для улучшения морфологии активного слоя органических солнечных батарей с объемным гетеропереходом могут быть использованы различные подходы, такие как вариация растворителя, подбор концентрации и состава смеси, термический отжиг и т.д. 

На данном этапе в соответствии с разработанным лабораторным регламентом методом последовательного формирования слоев были изготовлены экспериментальные образцы солнечных батарей на полимерной основе. Активный слой P3HT-PCBM с соотношением компонентов 1:0,7 и барьерный слой PEDOT:PSS формировали путем подачи раствора и последующего спиннингования. Металлические слои формировали при помощи магнетронного распыления. Качество изготовленных батарей контролировали при помощи in-situ камеры, установленной в рентгеновский дифрактометр; при этом изучалась структура активного слоя и энергоэффективность батарей (коэффициент полезного действия).

После изготовления экспериментальных образцов органических солнечных батарей решалась задача определения морфологии их поверхности. Данную задачу решали при помощи атомно-силовой микроскопии, комплекса для определения топографии поверхности и растровой электронной микроскопии.

Исследование поверхности полимерных солнечных батарей с использованием атомно-силовой микроскопии позволяет изучить их строение на самом глубоком масштабном уровне – наноуровне. Исследование структуры поверхности батарей проводили в центре коллективного пользования «Нанотехнологии в электронике» Новосибирского государственного технического университета с использованием атомно-силового микроскопа Solver P47H (http://ckp-rf.ru/cabinet/?edit=Y&CODE=440420). Измерение топографии поверхности проводили в полуконтактном режиме.

Другим прибором, позволяющим с высокой степенью детализации изучать поверхность органических солнечных батарей, является растровый электронный микроскоп. Для исследований использовали РЭМ Zeiss EVO 50 XVP, оснащенный анализаторами химического состава (ЭДС и ВДС), а также приставкой для построения картин дифракции обратно отраженных электронов EBSD. Исследования проводили в ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов», расположенном в Новосибирском государственном техническом университете (http://ckp-rf.ru/ckp/440253). 

Исследование поверхности полимерных солнечных батарей с использованием комплекса по исследованию топографии поверхности позволяет изучить рельеф поверхности на всех масштабных уровнях, от макро- до микроуровня. Исследование структуры поверхности батарей проводили в центре коллективного пользования «Структура, механические и физические свойства материалов», расположенном в Новосибирском государственном техническом университете (http://ckp-rf.ru/ckp/440253). 

Результаты исследования

Исследовались образцы органических солнечных батарей, активный слой которых состоял из смеси P3HT:PCBM с соотношением компонентов активного слоя 1:0,7. Как показали исследования, проведенные ранее на 3 этапе ПНИ, данная система после термического отжига при температуре 160 °С в течение 10 минут обладает наиболее высоким КПД из исследованных вариантов, составившим 4,12 %. Для набора статистических данных были исследованы параллельные батареи в нескольких местах.

Анализ АСМ-изображений показал, что в среднем максимальное изменение толщины батареи составляет около 100 нм. В то же время, в редких случаях в поверхности батареи могут присутствовать небольшие островки агломератов, имеющие существенно большую толщину. Статистическая обработка формы поверхности органических солнечных батарей показала, что средневзвешенное изменение толщины составляет 50-55 нм, отклонение по десяти точкам Sz варьируется от 87,5 до 138 нм, а средняя шероховатость Sa изменяется от 10,9 до 12,6 нм. Анализ профилограмм, а также топографических и 3D-изображений показал, что для поверхности органических солнечных батарей среднее расстояние между сформированными доменами составляет примерно 0,65 – 0,95 мкм, что свидетельствует о достаточно равномерном распределении агломератов PCBM в структуре полимера при изготовлении органической батареи.

При изучении морфологии поверхности методом оптической интерферометрии анализировались различные области изготовленных экспериментальных образцов солнечных батарей. В качестве характеризующих качество поверхности батарей определялись следующие параметры: среднеарифметическое отклонение профиля Ra и среднеквадратическая шероховатость rms, определяемая как среднеквадратичное отклонение высоты пиков и глубины впадин от средней линии поверхности батареи. Как показал анализ полученных результатов, изготовленные экспериментальные органические солнечные батареи обладают гладкой поверхностью с очень низкой шероховатостью. Так, параметр Ra варьируется от минимального значения 0,002 мкм до максимального 0,036 мкм. Следует отметить, что в случае, когда граница электрода не попадает в область сканирования, шероховатость Ra изменяется в существенно более узких пределах – от 0,002 до 0,005 мкм. 

Подобная картина получилась и при определении среднеквадратической шероховатости: rms изменяется в пределах от 0,005 мкм до 0,031 мкм. При сканировании поверхности батареи вдали от границы электрода диапазон изменения значений среднеквадратичной шероховатости становится существенно меньше – от 0,005 мкм до 0,012 мкм.

Таким образом, на основании проведенных исследований при помощи комплекса для изучения топографии поверхности можно сделать следующее заключение. Поверхность экспериментальных образцов органических солнечных батарей является гладкой и обладает низкой шероховатостью поверхности. Характерный размер величин шероховатости поверхности хорошо коррелирует с результатами, полученными при изучении поверхности батарей методами атомно-силовой микроскопии и растровой электронной микроскопии. Низкие значения шероховатости поверхности свидетельствуют о высокой степени диспергирования производных фуллеренов PCBM в органической матрице P3HT.

Практическая значимость исследования
Применение измерительных камер для in-situ мониторинга в технологическом процессе изготовления органических солнечных батарей позволяет контролировать стабильность и энергоэффективность данных батарей в процессе их эксплуатации, что, в свою очередь, гарантирует высокие потребительские качества солнечных батарей.
Кроме того, in-situ камеры могут быть использованы научными коллективами для подбора оптимальных параметров процесса изготовления органических солнечных батарей для увеличения их энергоэффективности (коэффициента полезного действия) и стабильности электрических свойств. Применение разработанной в рамках данного проекта in-situ камеры уже позволило получить энергоэффективность органических солнечных батарей 4,12 %, что превышает требования технического задания и соответствует мировому уровню.