Органические солнечные батареи с внедренными плазмонными и кремниевыми наночастицамиНИР

Organic solar cell with embedded plasmon and silicon nanoparticles

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Органические солнечные батареи с внедренными плазмонными и кремниевыми наночастицами
Результаты этапа: Показана возможность увеличения эффективности поглощения энергии органическими солнечными батареями в зависимости от параметров наночастиц, внедренных в буферный слой. Анализ эффективности проводился в квазистатическом приближении для случая нахождения солнечной батареи в рассеянном солнечном свете. Сферические наночастиц были внедрены в полимерный слой (PEDOT), нанесенный на фоточувствительный слой батареи (P3HT), и расположены с плотностями, исключающими взаимодействие частиц между собой. Численный эксперимент показал, что при всех изученных комбинациях параметров наночастиц наблюдается увеличение эффективности солнечной батареи. Показано, что наибольшая эффективность наблюдается у серебряных и золотых наночастиц, плазмонные резонансы которых находятся в оптическом диапазоне. Также показана возможность увеличения эффективности слоя серебряных наночастиц вдвое путѐм продления рабочей области спектра в коротковолновую область. Показано, что эффективность покрытия солнечных батарей зависит от угла падения света. Максимум наблюдается при нормальном падении света на поверхность, однако и при больших углах падения наблюдается значительное увеличение эффективности, что существенно для работы в рассеянном свете, а именно для органических тонкоплѐночных солнечных батарей. Также проведены эксперименты по созданию тонкопленочных слоев полимеров PEDOT и P3HT с внедренными в них наночастицами серебра и SiO2. Разработана методика создания таких пленок с требуемыми параметрами: заданной концентрацией наночастиц и толщиной пленки. Проведен анализ асм-изображений полученных образцов. Проведен анализ распределения ближнего поля и поляризации поля вблизи диэлектрической наночастицы сферической формы, расположенной в буферном слое, граничащем с активным слоем СБ, в зависимости от параметров рассматриваемой системы. Рассматриваемая система моделирует буферный и активный слои СБ с внедренными наночастицами. Дальнейшее развитие данного метода позволит исследовать диаграммы направленности рассеяния света диэлектрическими наночастицами для более эффективного использования всего светового потока, падающего на СБ.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Органические солнечные батареи с внедренными плазмонными и кремниевыми наночастицами
Результаты этапа: В 2017г выполнены экспериментальные исследования по внедрению диэлектрических и металлических наночастиц (НЧ) в буферный и активный слои органических солнечных батарей (ОСБ) на основе системы PEDOT:PSS/P3HT-PCBM. Проведены серии экспериментов: 1. по подбору процентного соотношения раствора НЧ заданной концентрации и раствора PEDOT:PSS для приготовления пленок одинаковой толщины с различной концентрацией наночастиц. Измерение толщин пленок проводилось на АСМ. 2. по внедрению наночастиц SiO2 сферической формы размерами 20, 50, 80 нм в буферный слой из водного раствора НЧ SiO2 + PEDOT:PSS путем нанесения пленок на спинкоатере 3. по внедрению наночастиц Ag (50 нм) сферической формы в буферный слой из водного раствора НЧ Ag + PEDOT:PSS путем нанесения пленок на спинкоатере 4. по внедрению наночастиц Ag (20-50 нм) формы близкой к сферической, полученных при помощи технологии вакуумного плазменного осаждения на пленку PEDOT:PSS с последующим нанесением активного слоя P3HT-PCBM методом спинкоатинга. Внедрение наночастиц в слои ОСБ проводилось двумя способами. Первый способ состоял в том, что готовый водный раствор наночастиц с заданной концентрацией смешивали с раствором PEDOT:PSS (15г/л) для получения раствора PEDOT:PSS с нужной концентрацией наночастиц. Далее для однозначного сравнения результатов экспериментов необходимо было получать пленки одинаковой толщины. Для этого была проведена серия экспериментов по подбору параметров спинкоатера для каждой конкретной концентрации раствора буферного слоя таким образом, чтобы толщина пленки составляла 60 нм. Второй способ состоял в последовательном нанесении слоя PEDOT:PSS на спинкоатере, затем НЧ Ag, полученных при помощи технологии вакуумного плазменного осаждения и нанесения активного слоя. Были измерены вольтамперные характеристики полученных образцов и спектры поглощения. Показано, что повышение эффективности ОСБ наблюдается при внедрении наночастиц SiO2 диаметром 20 нм (КПД = 4.15% ) и 50 нм (КПД = 4.13% ). Внедрение наночастиц SiO2 диаметром 80 нм и серебра диаметром 50 нм приводит к уменьшению эффективности. Также проведены теоретические расчеты диаграммы направленности излучения и поляризация ближнего поля сфероидальной металлической наночастицы, расположенной над кремниевой подложкой, в случае взаимодействия системы с линейно и циркулярно поляризованным полем. Показано, что по сравнению с симметричной диаграммой направленности сфероидальной частицы в свободном пространстве, диаграмма направленности частицы вблизи кремниевой подложки становится сильно несимметричной и преобладает рассеяние вперед. Изучено изменение поляризации ближнего поля наночастицы в присутствии подложки для разных значений длин волн вблизи плазмонного резонанса. Поляризация ближнего поля описывается при помощи обобщенных параметров Стокса, позволяющих осуществить наглядную визуализацию результатов.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Органические солнечные батареи с внедренными плазмонными и кремниевыми наночастицами
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".