Оренбургский государственный университет

Разработка метода управления параметрами фотовольтаических элементов на основе диоксида титана за счет внедрения плазмонных наносистем с перспективой создания более эффективных солнечных ячеек Гретцеля

Проект № СП-1340.2015.1

Руководитель проекта — канд. физ.-мат. наук Кислов Д.А.

Проект направлен на исследование фундаментальных механизмов работы электрохимических фотовольтаических элементов на основе наноструктурированного диоксида титана (ячеек Гретцеля) с внедренными кластерами взаимодействующих металлических наночастиц с плазмонным резонансом.

Проведено исследование влияния металлических наночастиц с плазмонным резонансом на механизмы работы электрохимических фотовольтаических элементов (солнечных батарей) на основе наноструктурированного диоксида титана. Основная идея работы заключается в том, что у молекул красителя в ячейке Гретцеля, попавших в область локально усиленного электрического поля металлической наночастицы, в значительной степени меняется сечение поглощения. Данный эффект приводит к тому, что фотовольтаические ячейки генерируют больше свободных носителей заряда. На наш взгляд данное явление является одним из наиболее существенных при описании влияния наночастиц металла с плазмонными свойствами на работу ячеек Гретцеля. В работе показано, что образцы, в конструкцию которых внедрены наночастицы серебра, генерируют больший фототок. Причем ток тем больше, чем больше концентрация наносеребра присутствует в ячейке. Установлено, что для образца с максимальной концентрацией наночастиц величина тока короткого замыкания в два раза больше значения тока в эталонном образце. Анализ показывает, что при добавлении в структуру ячеек Гретцеля максимальной концентрации плазмонных наночастиц КПД увеличивается более чем в два раза по сравнению с эталонным образцом. Кроме того, проведена серия экспериментов, в которых исследовались емкостные и транспортные свойства полученных образцов фотовольтаических ячеек. Показано, что наличие в конструкции ячеек наночастиц серебра на 30 % увеличивает электрохимическую емкость образцов солнечных ячеек. Также установлено, что добавление в ячейки наночастиц серебра значительно увеличивает коэффициент диффузии. Так, для образца с максимальной концентрацией наночастиц средний коэффициент диффузии на 20 % больше среднего коэффициента диффузии в эталонном образце.

Информация, полученная в результате проведенного исследования, может лечь в основу метода повышения эффективности работы электрохимических солнечных ячеек, сенсибилизированных красителями. И в перспективе поможет в создании солнечных батарей с улучшенными характеристиками. Кроме того, использование полученных в проекте результатов при проектировании солнечных батарей третьего поколения с увеличенным КПД в перспективе способно реализовать высокий потенциал солнечной энергетики в регионах России. В частности, предлагаемый проект в перспективе может в перспективе способствовать реализации высокого потенциала солнечной энергетики Оренбургской области.

Основные результаты исследования опубликованы в работах:

Учебное пособие

• Степанов В.Н., Кислов Д.А. Физикохимия наноструктур. ОГУ, 2016. (В печ.)

Статьи, индексирующиеся в базах Scopus, Web of Science

• Kislov D. Effect of plasmonic silver nanoparticles оn the photovoltaic properties of Graetzel solar cells // Physics Procedia, 2015, Vol. 73. P. 114–120.

Статьи в журналах из перечня ВАК

• Кислов Д.А. Повышение эффективности преобразования световой энергии в электрическую солнечными ячейками Гретцеля за счет внедрения в конструкцию плазмонных наночастиц // Вестник ОГУ. 2015. № 13 (в печати).

Публикации в изданиях РИНЦ

• Кучеренко М.Г., Кислов Д.А. Эффекты локально-плазмонного изменения скорости межмолекулярного безызлучательного переноса энергии в пористой среде // Сб. материалов Международ. науч. конф. "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвященной 60-летию Оренбургского ун-та. Оренбург: Университет, 2015. Часть 4. "Наука и образование: фундаментальные основы, технология, инновации". 315 с.

Тезисы конференций

1. Измоденова С.В., Кислов Д.А., Кучеренко М.Г. Влияние серебряных наночастиц на скорость безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами внутри обратных мицелл // Сб. науч. трудов IV Международ. конф. по фотонике и информационной оптике. М., 28–30 января 2015 г. С. 254–255.
2. Кислов Д.А. Влияние плазмонных наночастиц серебра на фотоэлектрические свойства солнечных ячеек Гретцеля // IV Международ. конф. по фотонике и информацион. оптике. Россия, Москва, НИЯУ МИФИ. 2015. С. 252–253.

Участие в международных конференциях

1. IV Международная конференция по фотонике и информационной оптике. Россия, Москва, НИЯУ МИФИ, 28–30 января 2015 г., Москва.
2. Международная научная конференция "Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации", посвященная 60-летию Оренбургского университета. Оренбург, ОГУ, 15–17 сентября 2015 г.

Участие во всероссийских конференциях

• Всероссийская научно-практическая конференция "Фундаментальная наука Оренбуржья: итоги и перспективы сотрудничества Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Оренбургской области". Оренбург, ОГУ, 10–11 декабря 2015 г.

См. также:

Персональная стипендия Президента РФ для молодых ученых