Получение и исследование металлооксидного полупроводника



Как уже было отмечено ранее, основной функцией металлооскидоного полупроводника является перенос электронов от слоя перовскита к прозрачному проводящему покрытию. Следующие вещества могут быть использованы для формирования данного слоя:

‒ Диоксид титана (TiO2);

‒ Оксид Олова IV (SnO2);

‒ Оксид Меди (Cu2O);

‒ Оксид цинка (ZnO);

‒ Оксид Индия (In2O3).

Согласно [1] наиболее предпочтительным является оксид индия, однако, его высокая стоимость, как и в случае с ППП на основе ITO, накладывает определенные ограничения и существенно увеличивает цену конечного продукта, поэтому от данного типа металлооксида пришлось отказаться. Все прочие кроме диоксида титана не демонстрируют необходимой эффективности энергопреобразования [2] [3], поэтому в качестве основных материалов для формирования слоя металлооксида использоваться не могут. Таким образом, в данной работе был сделан выбор в пользу изготовления солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов с использованием диоксида титана.

Существует несколько способов формирования слоя диоксида титана на поверхности прозрачного проводящего покрытия FTO на стеклянной подложке. Среди них электрохимическое анодирование, низкотемпературное газовое осаждение, спрей-пиролиз, золь-гель и так называемый роллерный метод [4].

Поскольку нанесение металлооксидных пленок методом спрей-пиролиза уже разрабатывается и используется в рамках другого проекта — победителя У. М. Н.И.К — «Разработка технологии получения металлооксидных пленок для сенсибилизированных красителем солнечных элементов» за авторством С. В. Ракши — данный способ рассматриваться не будет.

Электрохимическое осаждение и низкотемпературное газовое осаждение являются дорогими и ресурсоемкими методами [5]. Сюда же можно отнести золь-гель метод, который в данном случае не требует целой системы поддержания постоянной температуры в течение нескольких суток. [6].

Таким образом, для получения металлооксидных пленок будет использоваться роллерный метод, который представляет собой нанесение пасты диоксида титана с помощью стеклянного стержня. Для реализации подобного подхода понадобятся следующие химические вещества и оборудование:

‒ Кристаллический диоксид титана (TiO₂)

‒ Уксусная кислота (CH₃CO₂H)

‒ Этанол 95 % (С₂H₅OH)

‒ Triton X-100 (C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)_n)

‒ Скотч

‒ Электрическая плитка

‒ Ступка и пестик

‒ Шприц без иглы

Методика получения металлооксидных пленок с помощью роллерного метода состоит из следующих этапов:

1. Подготовить поверхности подложек (см. п. 2.1)

2. Размолоть необходимое количество диоксида титана в ступке. В полученную пыль добавить несколько капель уксусной кислоты до образования коллоидной суспензии гладкой консистенции.

3. Добавить некоторое количество Triton X-100 и снова перемешать.

4. Полученную пасту необходимо поместить в объем шприца и нанести на закрепленную на твердой поверхности скотчем стеклянную подложку (рисунок 1).

Рис. 1. Нанесение пасты на поверхность стеклянной подложки FTO

5. Аккуратно удалить скотч и поместить стеклянную подложку на электрическую плитку на 20 минут при температуре 80 градусов. В некоторых случаях стекло может треснуть. Данные образцы отбраковываются.

6. Позволить полученным образцам (рисунок 2) остыть.

Рис. 2. Фотография образца стеклянных подложек с нанесенным на него металлооксидом диоксида титана

Исследование данного образца c нанесенным на него металлооксидом проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа Vega3 Tescan. На рисунках 3 и 4 представлены SEM — изображения, полученные с помощью данного микроскопа. Хорошо видно, что полученные покрытия обладают правильной поверхностной морфологией, что соотносится с исследованиями [2] и [6].

Рис. 3. SEM-изображение образца с нанесенным на него слоем металлооксида диоксида титана (50 мкм)

.

Рис. 4. SEM-изображение образца с нанесенным на него слоем металлооксида диоксида титана (5 мкм)

Литература:

1. Dong Q., Fangzho L. In₂O₃ based perovskite solar cells. — 2016
2. Priti T., Pablo D., Johnston M. B. Electron Mobility and Injection Dynamics in Mesoporous ZnO, SnO₂, and TiO₂ Films Used in Dye-Sensitized Solar Cells. — 2011 — P. 5158–5166
3. Phutthamon C., Jarusutthirak C. A Comparison Study of Photocatalytic Activity of TiO₂ and ZnO on the Degradation of Real Batik Wastewater. — 2015 — P. 8–12
4. Qiu J., Qiu Y., Yan K., Zhong M., Mu C., Yan He, Yang S. All-solid-state hybrid solar cells based on a new organometal halide perovskite sensitizer and one-dimensional TiO2 nanowire arrays, The royal society of chemistry, — 2013 — P. 3245–3248
5. Grzegorz D., Agnieszka B. Fabrication of nanoporous TiO₂ by electrochemical anodization. — 2009 — P. 4359–4367
6. Barnes R., Molina R., Xu J. Comparison of TiO₂ and ZnO nanoparticles for photocatalytic degradation of methylene blue and the correlated inactivation of gram-positive and gram-negative bacteria. — 2013
7. Liu Y., Lu Y., Zeng Y. Nanostructured Mesoporous Titanium Dioxide Thin Film Prepared by Sol-Gel Method for Dye-Sensitized Solar Cell. — 2011 — P. 3–9