Повышение эффективности преобразования энергии в солнечных элементах, чувствительных к красителям, за счет использования полупроводникового материала GaN, синтезированного в печи химического осаждения из газовой фазы с горячими стенками.
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2024No4/131-139Ключевые слова:
преобразование мощности, полупроводник, матрица, TiO2, GaNАннотация
В этом исследовании обсуждаются результаты синтеза GaN методом химического осаждения из газовой фазы с использованием плазмы на сапфировых и кремниевых подложках с использованием определенных параметров: прямое выходное напряжение 150 Вт, расход газа N2 60 стандартных кубических сантиметров в минуту, давление в камере 2,48 мм рт.ст. и время синтеза 2 часа. Определение характеристик с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), комбинационного рассеяния света и энергодисперсионного рентгеновского излучения выявило нестехиометрическое образование GaN с явным преобладанием Ga в составе. СЭМ-анализ морфологии поверхности подложки выявил наличие небольших островков, которые считаются первым этапом процесса химического осаждения из газовой фазы. В исследовании также изучены эффекты включения GaN в фотоанод солнечных элементов, чувствительных к красителю. В ходе исследования было определено оптимальное количество порошка GaN в матрице TiO2. В первоначальных экспериментах использовался коммерческий порошок GaN для определения оптимального процентного содержания по массе. Для исследования были выбраны четыре различных весовых процента (мас.%) GaN: 10 %, 20 %, 30 % и 40 %. Среди них GaN с 20 % имел самую высокую эффективность преобразования энергии - 0,75%. Значения коэффициента заполнения имели тенденцию к снижению по мере увеличения массовой доли GaN.
Библиографические ссылки
Hardin B.E., Snaith H.J., McGehee M.D. (2012) The renaissance of dye-sensitized solar cells. Nature Photonics, 6(3), 162–169. DOI: 10.1038/nphoton.2012.22. DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.22
Sharma K., Sharma V., Sharma S.S. (2018) Dye-sensitized solar cells: Fundamentals and current status. Nanoscale Research Letters, 13, Article 2760. DOI:10.1186/s11671-018-2760-6. DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-018-2760-6
Abdullayev J.SH., Sapaev I.B. (2024) Optimizing the influence of doping and temperature on the electrophysical features of p-n and p-i-n junction structures. Eurasian physical technical journal, 21, 21-28. DOI:10.31489/2024No3/21-28. DOI: https://doi.org/10.31489/2024No3/21-28
Wei D. (2010) Dye sensitized solar cells. International Journal of Molecular Sciences, 11(3), 1103–1113. DOI:10.3390/ijms11031103. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms11031103
Gong J., Sumathy K., Qiao Q., Zhou Z. (2017) Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Advanced techniques and research trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68 (Part 1), 234–246. DOI:10.1016/j.rser.2016.09.097. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.097
Nakamura S., Harada Y., Seno M. (1991) Novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth. Applied Physics Letters, 58(18), 2021–2023. DOI: 0.1063/1.105239. DOI: https://doi.org/10.1063/1.105239
Muñoz-García A.B., Benesperi I., Boschloo G., Concepcion J.J., Delcamp J.H., Gibson E.A., Meyer, Pavone M., Pettersson H., Hagfeldt A., Freitag M. (2021) Dye-sensitized solar cells strike back. Chemical Society Reviews, 50(22), 12450 – 12450. DOI: 10.1039/D0CS01336F. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CS01336F
Tian G.L., He H.B., Shao J.D. (2005) Effect of microstructure of TiO2 thin films on optical band gap energy. Chinese Physics Letters, 22(7), 1787–1790. DOI: 10.1088/0256-307X/22/7/062. DOI: https://doi.org/10.1088/0256-307X/22/7/062
Serikov T.M., Ibrayev N.K., Nuraje N., Savilov S.V., Lunin V.V. (2017) Influence of surface properties of the titanium dioxide porous films on the characteristics of solar cells. Russian Chemical Bulletin, 66(4), 614–621. DOI:10.1007/s11172-017-1781-0. DOI: https://doi.org/10.1007/s11172-017-1781-0
Green M.L., Gusev E.P., Degraeve R., Garfunkel E.L. (2001) Ultrathin (<4 nm) SiO2 and Si-O-N gate dielectric layers for silicon microelectronics: Understanding the processing, structure, and physical and electrical limits. Journal of Applied Physics, 90(5), 2057–2121. DOI: 10.1063/1.1385803. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1385803
Mukametkali T.M., Ilyassov B.R., Aimukhanov A.K., Serikov T.M., Baltabekov A.S., Aldasheva L.S., Zeinidenov A.K. (2023) Effect of the TiO2 electron transport layer thickness on charge transfer processes in perovskite solar cells. Physics B: Condensed Matter, 659, Article 414784. DOI: 10.1016/j.physb.2023.414784. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2023.414784
Gong J., Liang J., Sumathy K. (2012) Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(8), 5848–5860. DOI: 10.1016/j.rser.2012.04.044. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.04.044
Fong C.Y., Ng S.S., Yam F.K., Abu Hassan, H., Hassan Z. (2015) Growth of GaN on sputtered GaN buffer layer via low cost and simplified sol-gel spin coating method. Vacuum, 119, 119–122. DOI:10.1016/j.vacuum.2015.04.042. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.04.042
Liu H.L., Chen C.C., Chia C.T., Yeh C.C., Chen C.H., Yu M.Y., Keller S., DenBaars S.P. (2001) Infrared and Raman-scattering studies in single-crystalline GaN nanowires. Chemical Physics Letters, 345(3–4), 245–251. DOI:10.1016/S0009-2614(01)00858-2. DOI: https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00858-2
Zhang M., Wang Y., Teng F., Chen L., Li J., Zhou J., et al. (2016) A photoelectrochemical type self-powered ultraviolet photodetector based on GaN porous films. Materials Letters, 162, 117–120. DOI:10.1016/j.matlet.2015.10.001. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.10.001
Beechem T., Christensen A., Graham S., Green D. (2008) Micro-Raman thermometry in the presence of complex stresses in GaN devices. Journal of Applied Physics, 103(12), Article 121. DOI: 10.1063/1.2940131. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2940131
Hassan Z., Lee Y.C., Yam F.K., Ibrahim K., Kordesch M.E., Halverson W., Colter P.C. (2005) Characteristics of low-temperature-grown GaN films on Si (111). Solid State Communications, 133(5), 283–287. DOI:10.1016/j.ssc.2004.11.022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssc.2004.11.022
Dedkova A.A., Nikiforov M.O., Mitko S.V., Kireev V.Y. (2019) Investigation of gallium nitride island films on sapphire substrates via scanning electron microscopy and spectral ellipsometry. Nanotechnologies in Russia, 14(3–4), 176–183. DOI: 10.1134/S1995078019020046. DOI: https://doi.org/10.1134/S1995078019020046
Mosconi E., Yum J.H., Kessler F., Gómez García C.J., Zuccaccia C., Cinti A., Nazeeruddin M.K., Grätzel M., De Angelis F.(2012) Cobalt electrolyte/dye interactions in dye-sensitized solar cells: A combined computational and experimental study. Journal of the American Chemical Society, 134(47), 19438–19453. DOI: 10.1021/ja3079016. DOI: https://doi.org/10.1021/ja3079016
Lee Y.J., Lee M.H., Cheng C.M., Yang C.H. (2011) Enhanced conversion efficiency of InGaN multiple quanta well solar cells grown on a patterned sapphire substrate. Applied Physics Letters, 98(26), 1–4. DOI:10.1063/1.3585485. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3605244
Hagfeldt A., Boschloo G., Sun L., Kloo L., Pettersson H. (2010) Dye-sensitized solar cells. Chemical Reviews, 110(11), 6595–663. DOI: 10.1021/cr900356p. DOI: https://doi.org/10.1021/cr900356p
Chiba Y., Islam A., Watanabe Y., Komiya R., Koide N., Han L. (2006) Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%. Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters, 45(24–28), 23–26. DOI:10.1143/JJAP.45.L638. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.45.L638
Lidow A., Strydom J., Strittmatter R., Zhou C. (2015) GaN: A reliable future in power conversion dramatic performance improvements at a lower cost. IEEE Power Electronics Magazine, 2(1), 20–26. DOI:10.1109/MPEL.2014.2381457. DOI: https://doi.org/10.1109/MPEL.2014.2381457
Robins L.H., Horneber E., Sanford N.A., Bertness K.A., Brubaker M.D., Schlager J.B. (2016) Raman spectroscopy, based measurements of carrier concentration in n-type GaN nanowires grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Journal of Applied Physics, 120(12), 1–10. DOI: 10.1063/1.4963291. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4963291
Bagnall K.R., Moore E.A., Badescu S.C., Zhang L., Wang E.N. (2017) Simultaneous measurement of temperature, stress, and electric field in GaN HEMTs with micro-Raman spectroscopy. Review of Scientific Instruments, 88(11), 1–6. DOI: 10.1063/1.5010225. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5010225
