AP08856338 «Фотоэлектрохимические солнечные элементы на основе тонкопленочных полупроводниковых соединений висмута»

Руководитель проектаДергачева М.Б., д.х.н., профессор, чл-корр. РАЕН

Актуальность:

Проект предлагает разработку конструкции фотоэлектрохимической ячейки, в которой в качестве электродов будут использованы фотокатод на основе p-CuBi2O4 и фотонод на основе n-BiSI. Такой подход и выбор материалов предлагается впервые. Экономичная система получения фототока и разложения воды в тандемной ячейке РЕС обеспечит более высокую эффективность. Предлагаются инновационные подходы к решению вопросов синтеза соединений висмута. Синтез тонких пленок CuBi2O4 и BiSI на проводящем FTO/стекле предполагает сочетание электрохимических и химических процессов, протекающих с участием солей висмута и меди в водных растворах при низких температурах с расходом очень малых количеств материалов. Это обусловливает низкую стоимость разрабатываемых технологических процессов. Технологии могут быть распространены на подложки большой площади, с тем, чтобы увеличить эффективность работы фотоэлектрохимической ячейки.

Новой является постановка задачи построения энергетической диаграммы переноcа электронов при освещении полупроводника CuBi2O4. Этот полупроводник будет рассмотрен, как гетеросистема, состоящая из двух узкозонных полупроводников CuO и CuBi2O4 и широкозонного Bi2O3. Важным аспектом является возможность использования такой электрохимической ячейки для разложения воды и получения водорода с помощью солнечного излучения. Предлагается новый метод допирования поверхности фотоактивных полупроводников наночастицами платины, палладия, серебра.

Цель: Разработка методов синтеза тонких пленок многокомпонентного полупроводникого соединения висмута BiSI для фотоэлектродов, исследование микроструктуры, физико-химических и фотоэлектрохимических свойств. Разработка способов модификации и структурирования поверхности полученных тонкопленочных  фотоэлектродов CuBi2O4 и BiSI с целью увеличения квантовой эффективности преобразования солнечного излучения.

Ожидаемые и достигнутые результаты:

– ожидаемые результаты за 2021 год

– Разработать технологию изготовления тонкопленочных гетероструктур полупроводниковых соединений висмута CuBi2O4 и BiSI, обладающих высокой квантовой эффективностью при преобразовании солнечного излучения.

– Синтез полупроводникового соединения BiSI на проводящих подложках «cтекло/FTO». Физико-химическая характеризация полученных композиций с применением методов РФА, СЭМ, AFM, спектроскопии комбинационного рассеяния.

– Разработка методов структурирования поверхности полученных тонких полупроводниковых пленок CuBi2O4 и BiSI с целью увеличения квантовой эффктивности преобразования солнечного излучения. Изучение их фотоэлектрохимических свойств (квантовой эффективности фотоэлектрохимических процессов, потенциалов начала фототока и др.) с помощью метода PEC.

– достигнутые результаты за 2021 год

– Разработана технология изготовления тонкопленочных гетероструктур полупроводниковых соединений висмута, обладающих высокой квантовой эффективностью при преобразовании солнечного излучения.

Получены данные для составления технического регламента и разработана технология формирования полупроводниковых соединений висмута заданного состава и свойств на проводящие подложки. Предложены способы модификации поверхности полученных соединений с целью изготовления тонкопленочных гетероструктурных композиций, используемых в дальнейшем в качестве основы для фотоэлектродов в фотоэлектрохимических преобразователях солнечной энергии. Методами электронной микроскопии подтверждены состав, структура, исследована морфология поверхности. Отрегулирован размер кристаллитов в тонких пленках в зависимости от условий синтеза. Проведены фотоэлектрохимические измерения методом PEC, дана оценка квантовой эффективности полученных гетероструктур. Обоснованы оптимальные условия получения максимального квантового выхода при использовании источников освещения различной мощности.

Опубликована статья в журнале, рекомендованном ККСОН (журнал НАН РК).

– Проведен синтез полупроводникового соединения BiSI на проводящих подложках «cтекло/FTO» методом химического осаждения. Дана физико-химическая характеризация полученных композиций с применением методов РФА, СЭМ, AFM, спектроскопии комбинационного рассеяния. Определено влияние продолжительности процесса на толщину, состав, морфологию поверхности и структуру получаемых пленок (15-60 минут).

Пленка BiSI, осажденная в течение 15 минут, сформирована игольчатыми кристаллитами, длиной ~10 мкм и толщиной 0,2-0,5 мкм, неравномерно покрывающими поверхность FTO подложки. Увеличение времени осаждения до 30 минут ведет к образованию округлых частиц достаточно большого размера (900 нм – 1,17 мкм). Однако, дальнейшее пролонгирование процесса влияет не на величину частиц, а на степень заполнения поверхности. Таким образом, осаждение в течение 45 и 60 минут позволяет получить равномерную плотную пленку.

Данные РФА показали, что полученные тонкие пленки являются квазибинарной системой, включающей две фазы – BiSI и Bi19S27I3 с соответствующими параметрами элементарных ячеек, что не противоречит поставленной задаче, т.к. характерно для пленок данного соединения.

РЕС исследования показали, что полученные пленки демонстрируют протекание характерного для n-типа проводимости анодного фототока. Потенциал начала протекания фототока электродов составляет порядка 0,15 В. Величины фототоков плавно возрастают с увеличением анодной поляризации и достигают максимального значения фототока (25 мкА/см2) в исследуемом диапазоне при потенциале порядка 350 мВ. Стабильные значения фототока сохраняются для образцов, полученных в течение 45 и 60 минут.

– Разработан метод структурирования поверхности полученных тонких полупроводниковых пленок CuBi2O4 и BiSI с целью увеличения квантовой эффективности преобразования солнечного излучения.  В качестве допанта использовали наночастицы платины, осажденные методом dip-coating. Элементный состав подтвержден методами СЭМ, РФА, Рамановской спектроскопии.

Изучены фотоэлектрохимические свойства с помощью метода PEC. Изучено влияние количества нанесенной платины на фоточувствительность образцов.

Для образцов тонких полупроводниковых пленок CuBi2O4 наблюдается увеличение фототока (~200 мкА/см2) при содержании платины на поверхности 3,5ат% (относительно состава пленки). При увеличении количества платины в 2 раза (7,4 ат%) величина фототока значительно снижается. Дальнейшее допирование (9,91ат%) поверхности пленки приводит к небольшому увеличению значения фототока, но пленка быстро подвергается фотодеградированию.

Для образцов тонких полупроводниковых пленок BiSI наблюдается идентичное влияние содержания наночастиц платины на поверхности пленки на величины фиксируемого фототока. Наибольшее достигнутое значение фототока составляет ~45 мкА/см2.

Члены исследовательской группы:

  1. Дергачева М.Б., д.х.н., профессор, чл-корр. РАЕ, ORCID ID 0000-0002-8490-1601, ScopusID 6603800896, индекс h0=5
  2. Пузикова Д.С., магистр естественных наук, PhD (студент, 3курс), ORCID ID 0000-0001-5275-4769, ScopusID 57194577586, индекс h0=1
  3. Хусурова Г.М., магистр химии, ORCID ID 0000-0001-8700-7472, ScopusID 57194576260, индекс h0=2
  4. Леонтьева К.А., магистр техники и технологий, ORCID ID 0000-0002-4740-1720, ScopusID 56469807800, индекс h0=2
  5. Панченко П.В., магистр технических наук, ORCID ID 0000-0003-2002-1637

Список публикаций и патентов

  1. Dergacheva M.B.,. Khusurova G.M, Puzikova D.S.,. Leontyeva X.A, Panchenkо P.V. Chemical deposition of bismuth iodide sulfide semiconductor thin films. Доклады НАН РК. – 2021г., №5, С.100-109
  2. Пузикова Д.С. Тонкие полупроводниковые пленки для фотоэлектрохимических солнечных элементов CuBi2O4. Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «ФАРАБИ ƏЛЕМІ» Алматы, Казахстан, 6-8 апреля 2021 года. С.281
  3. Леонтьева К.А., Пузикова Д.С., Хусурова Г.М. Способ получения тонких пленок полупроводникового соединения BiSI. Труды Международной научно-практической online конференции «Интеграция науки, образования и производства – основа реализации Плана нации» (Сагиновские чтения No13), посвященной 30-летию Независимости Республики Казахстан, 17-18 июня 2021 г. Карагандинский технический университет. – Караганда: С.1860-1862
  4. Пузикова Д.С., Хусурова Г.М., Леонтьева К.А. Определение микроструктуры полупроводниковых электродов CuBi2O4 модифицированных наночастицами Pt. Тезисы докладов Объединенной конференции «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ 2021. Черноголовка, 13-17 сентября 2021г. С.50-52