Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРОВСКИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФОТОВОЛЬТАИКИ
|
1. Введение.................................................................................................................................. 3
2. Обзор литературы .................................................................................................................. 6
2.1. Кристаллическая структура перовскитных материалов. ................................................ 6
2.2. Свойства перовскитов, их классификация ....................................................................... 7
2.3. Дефектотолерантность перовскитов ................................................................................. 8
2.4. Допирование перовскитов сторонними примесями ........................................................ 9
3. Экспериментальная часть .................................................................................................... 11
3.1. Синтез образцов ................................................................................................................ 11
3.2. Рентгенодифракционный анализ .................................................................................... 11
3.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ........................................................... 12
3.4. Методы исследования оптических свойств ................................................................... 12
3.4.1. Спектроскопия диффузного отражения ..................................................................... 12
3.4.2. Методика фотоиндуцированного дефектообразования ............................................ 15
4. Результаты и обсуждение .................................................................................................... 19
4.1. Характеризация образцов ................................................................................................ 19
4.2. Спектры диффузного отражения образцов .................................................................... 23
4.3. Фотоиндуцированное окрашивание образцов ............................................................... 26
5. Выводы .................................................................................................................................. 41
6. Литература ............................................................................................................................ 42
7. Благодарности....................................................................................................................... 44
2. Обзор литературы .................................................................................................................. 6
2.1. Кристаллическая структура перовскитных материалов. ................................................ 6
2.2. Свойства перовскитов, их классификация ....................................................................... 7
2.3. Дефектотолерантность перовскитов ................................................................................. 8
2.4. Допирование перовскитов сторонними примесями ........................................................ 9
3. Экспериментальная часть .................................................................................................... 11
3.1. Синтез образцов ................................................................................................................ 11
3.2. Рентгенодифракционный анализ .................................................................................... 11
3.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ........................................................... 12
3.4. Методы исследования оптических свойств ................................................................... 12
3.4.1. Спектроскопия диффузного отражения ..................................................................... 12
3.4.2. Методика фотоиндуцированного дефектообразования ............................................ 15
4. Результаты и обсуждение .................................................................................................... 19
4.1. Характеризация образцов ................................................................................................ 19
4.2. Спектры диффузного отражения образцов .................................................................... 23
4.3. Фотоиндуцированное окрашивание образцов ............................................................... 26
5. Выводы .................................................................................................................................. 41
6. Литература ............................................................................................................................ 42
7. Благодарности....................................................................................................................... 44
Возобновляемые источники энергии жизненно необходимы для
современной цивилизации. Ископаемое топливо (нефть, каменный уголь,
горючие сланцы, природный газ) составляет около 87% от мировой
энергетики. Его запасы огромны, но всё же ограничены, к тому же сложно
переоценить негативное влияние использования углеродных источников
энергии на экологию: выбросы диоксида углерода, загрязнение атмосферы и
воды. Атомные и гидроэлектростанции (суммарно 11% рынка мировой
энергетики) имеют жесткую привязку к месту и плотности населения, при
этом они подразумевают громоздкие и протяжённые линии электропередач
[1]. С другой стороны, солнечная энергия может производиться
непосредственно в домах потребителей, причём в силу развития технологий
это становится доступнее с каждым годом.
Солнечная энергетика берёт своё начало в 19 веке. Фотовольтаический
(фотогальванический) эффект был впервые продемонстрирован французским
физиком Александром Беккерелем, в 1839 г. он обнаружил возникновение
электрического тока в электролите под действием солнечного света. В 1883
году американский инженер Чарльз Фриттс изготовил первый
фотоэлектрический солнечный элемент на основе селена с золотым
покрытием с КПД=1% преобразования энергии поглощаемого света в
электрическую. Однако без понимания происходящих процессов создание
полезных фотоэлементов было бы невозможно, поэтому важно отметить роль
физиков, участвовавших в изучении фотоэффекта на рубеже 19-20 веков. В
первую очередь это русский физик Александр Столетов, создавший цикл
работ по изучению внешнего фотоэффекта, а также сформулировавший
эмпирический закон, связывающий световой поток с фототоком. Альберт
Эйнштейн же по-настоящему открыл дорогу развитию солнечной
фотовольтаике, заложив основы общей теории фотоэффекта. В работах
Эйнштейна было достигнуто понимание фотоэффекта, достаточное для
создания эффективных фотоэлектрических солнечных элементов и
появления солнечной энергетики как отрасли [2]. Первая коммерческая
солнечная батарея на основе кремния с эффективностью около 6% была
выпущена компанией Bell Laboratories в 1954 году. По этому поводу газета
The New York Times заявляет, что солнечные элементы в конечном итоге
приведут к источнику «безграничной энергии солнца».
С тех пор развитие элементов фотовольтаики шагнуло далеко вперёд.
Технологии солнечных батарей традиционно делятся на три поколения.
Солнечные элементы на основе кристаллического кремния (c-Si) принято
считать элементами первого поколения, наравне с элементами на основе
германия. Эти типы солнечных элементов занимают на рынке коммерческих
солнечных батарей до 90%, обычно они демонстрируют производительность
в 15-20% [3]. Как правило, данный тип солнечных батарей является более
эффективным и долговечным, чем некремниевые батареи. При этом первое
поколение солнечных элементов обладает рядом недостатков: токсичность
процесса производства, высокая стоимость изготовления, большое
количество токсичных отходов и др.
Солнечные элементы второго поколения изготавливаются из аморфного
(a-Si), поликристаллического (milti-cSi), микрокристаллического (μc-Si)
кремния, многокомпонентных полупроводников типа A3B5 (GaP, InP, GaAs) и
A2B6 (CdTe), а также многокомпонентных полупроводников типа CIS
(CuInS2), CIGS (Cu(In,Ga)(Se,S)2) [4]. В среднем их КПД 10-15%, на их
производство требуется меньше сырья, изготовление солнечных элементов
второго поколения проще, они более гибкие и пластичные, и могут
размещаться на неровных поверхностях. Однако, начиная с 1980-х годов
солнечные элементы второго поколение заняли только около 10% рынка из-
за высокой токсичности производства многокомпонентных
полупроводников, низкой стабильности этих элементов, высокой
энергозатратности производства.
Солнечные элементы третьего поколения – это весьма широкий класс
элементов на основе проводящих полимеров, элементов на основе
органических красителей и органо-неорганических полупроводников, а
также квантовых точек. При создании данных элементов пытаются решить
следующие задачи: снизить себестоимость, энергетические затраты,
упростить и ускорить процесс изготовления, достичь максимальной
стабильности в различных погодных условиях.
Новый класс солнечных элементов, которые в настоящее время
изучаются, - это перовскитные солнечные элементы, обладающие большим
потенциалом с рекордной эффективностью преобразования солнечной
энергии более 22% [5]. Они просты в производстве, имеют низкую
себестоимость, проявляют эффективное поглощение света в видимом
диапазоне, обладают высокой подвижностью и большой длиной диффузии
носителей заряда. Предметом исследования в данной работе является перовскит CsPbBr3.
современной цивилизации. Ископаемое топливо (нефть, каменный уголь,
горючие сланцы, природный газ) составляет около 87% от мировой
энергетики. Его запасы огромны, но всё же ограничены, к тому же сложно
переоценить негативное влияние использования углеродных источников
энергии на экологию: выбросы диоксида углерода, загрязнение атмосферы и
воды. Атомные и гидроэлектростанции (суммарно 11% рынка мировой
энергетики) имеют жесткую привязку к месту и плотности населения, при
этом они подразумевают громоздкие и протяжённые линии электропередач
[1]. С другой стороны, солнечная энергия может производиться
непосредственно в домах потребителей, причём в силу развития технологий
это становится доступнее с каждым годом.
Солнечная энергетика берёт своё начало в 19 веке. Фотовольтаический
(фотогальванический) эффект был впервые продемонстрирован французским
физиком Александром Беккерелем, в 1839 г. он обнаружил возникновение
электрического тока в электролите под действием солнечного света. В 1883
году американский инженер Чарльз Фриттс изготовил первый
фотоэлектрический солнечный элемент на основе селена с золотым
покрытием с КПД=1% преобразования энергии поглощаемого света в
электрическую. Однако без понимания происходящих процессов создание
полезных фотоэлементов было бы невозможно, поэтому важно отметить роль
физиков, участвовавших в изучении фотоэффекта на рубеже 19-20 веков. В
первую очередь это русский физик Александр Столетов, создавший цикл
работ по изучению внешнего фотоэффекта, а также сформулировавший
эмпирический закон, связывающий световой поток с фототоком. Альберт
Эйнштейн же по-настоящему открыл дорогу развитию солнечной
фотовольтаике, заложив основы общей теории фотоэффекта. В работах
Эйнштейна было достигнуто понимание фотоэффекта, достаточное для
создания эффективных фотоэлектрических солнечных элементов и
появления солнечной энергетики как отрасли [2]. Первая коммерческая
солнечная батарея на основе кремния с эффективностью около 6% была
выпущена компанией Bell Laboratories в 1954 году. По этому поводу газета
The New York Times заявляет, что солнечные элементы в конечном итоге
приведут к источнику «безграничной энергии солнца».
С тех пор развитие элементов фотовольтаики шагнуло далеко вперёд.
Технологии солнечных батарей традиционно делятся на три поколения.
Солнечные элементы на основе кристаллического кремния (c-Si) принято
считать элементами первого поколения, наравне с элементами на основе
германия. Эти типы солнечных элементов занимают на рынке коммерческих
солнечных батарей до 90%, обычно они демонстрируют производительность
в 15-20% [3]. Как правило, данный тип солнечных батарей является более
эффективным и долговечным, чем некремниевые батареи. При этом первое
поколение солнечных элементов обладает рядом недостатков: токсичность
процесса производства, высокая стоимость изготовления, большое
количество токсичных отходов и др.
Солнечные элементы второго поколения изготавливаются из аморфного
(a-Si), поликристаллического (milti-cSi), микрокристаллического (μc-Si)
кремния, многокомпонентных полупроводников типа A3B5 (GaP, InP, GaAs) и
A2B6 (CdTe), а также многокомпонентных полупроводников типа CIS
(CuInS2), CIGS (Cu(In,Ga)(Se,S)2) [4]. В среднем их КПД 10-15%, на их
производство требуется меньше сырья, изготовление солнечных элементов
второго поколения проще, они более гибкие и пластичные, и могут
размещаться на неровных поверхностях. Однако, начиная с 1980-х годов
солнечные элементы второго поколение заняли только около 10% рынка из-
за высокой токсичности производства многокомпонентных
полупроводников, низкой стабильности этих элементов, высокой
энергозатратности производства.
Солнечные элементы третьего поколения – это весьма широкий класс
элементов на основе проводящих полимеров, элементов на основе
органических красителей и органо-неорганических полупроводников, а
также квантовых точек. При создании данных элементов пытаются решить
следующие задачи: снизить себестоимость, энергетические затраты,
упростить и ускорить процесс изготовления, достичь максимальной
стабильности в различных погодных условиях.
Новый класс солнечных элементов, которые в настоящее время
изучаются, - это перовскитные солнечные элементы, обладающие большим
потенциалом с рекордной эффективностью преобразования солнечной
энергии более 22% [5]. Они просты в производстве, имеют низкую
себестоимость, проявляют эффективное поглощение света в видимом
диапазоне, обладают высокой подвижностью и большой длиной диффузии
носителей заряда. Предметом исследования в данной работе является перовскит CsPbBr3.
В результате выполненного исследования сделаны следующие выводы:
1. Получены образцы CsBi0.02xAg0.02(1-x)Pb0.98Br3 (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) и
чистый CsPbBr3. Согласно данным рентгеновского дифракционного
анализа, образцы кристаллизуются в фазу перовскита. Данные
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии подтвердили
встраивание примесей в решётку.
2. Продемонстрировано влияние примесей на спектры диффузного
отражения образцов и фотоиндуцированное дефектообразование.
Внесение примесей не влияет на истинную ширину запрещённой
зоны образцов. В монодопированных образцах происходит
окрашивание при фотовозбуждении (ΔD > 0 при N0 (p/(p+q)) > D0), в
содопированных – обесцвечивание образцов (ΔD < 0 при N0 (p/(p+q)) <
D0). Характер кинетик окрашивания и обесцвечивания
свидетельствует об изменении стационарных концентраций
фотоносителей при введении примесей при неизменности типа
ловушек, участвующих в фотоиндуцированном дефектообразовании.
3. Допирование и содопирование являются методом управления
собственными дефектами перовскита. Донорная примесь может
компенсировать собственные электронные ловушки полупроводника,
а акцепторная – дырочные. Изменяя количество и соотношение
разных примесей, можно управлять оптическими свойствами
материала в разных областях спектра и влиять на электронный состав дефектов.
1. Получены образцы CsBi0.02xAg0.02(1-x)Pb0.98Br3 (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) и
чистый CsPbBr3. Согласно данным рентгеновского дифракционного
анализа, образцы кристаллизуются в фазу перовскита. Данные
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии подтвердили
встраивание примесей в решётку.
2. Продемонстрировано влияние примесей на спектры диффузного
отражения образцов и фотоиндуцированное дефектообразование.
Внесение примесей не влияет на истинную ширину запрещённой
зоны образцов. В монодопированных образцах происходит
окрашивание при фотовозбуждении (ΔD > 0 при N0 (p/(p+q)) > D0), в
содопированных – обесцвечивание образцов (ΔD < 0 при N0 (p/(p+q)) <
D0). Характер кинетик окрашивания и обесцвечивания
свидетельствует об изменении стационарных концентраций
фотоносителей при введении примесей при неизменности типа
ловушек, участвующих в фотоиндуцированном дефектообразовании.
3. Допирование и содопирование являются методом управления
собственными дефектами перовскита. Донорная примесь может
компенсировать собственные электронные ловушки полупроводника,
а акцепторная – дырочные. Изменяя количество и соотношение
разных примесей, можно управлять оптическими свойствами
материала в разных областях спектра и влиять на электронный состав дефектов.
