CC BY
114
Lugovoy Evgeny Vladimirovich
E-mail: euglugovoy@yandex.ru.
Phone: +79604695926; +78634371940.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
Serba Pavel Victorovich
Phone: +78634371611.
E-mail: serba@tsure.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Professor; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
УДК 621.383+539.21
С.П. Малюков, A.B. Саенко
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ КРАСИТЕЛЯ ЭОЗИНА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НА ОСНОВЕ TiO2
Исследован спектр поглощения органического красителя эозина с помощью спектрофотометра для применения в качестве сенсибилизатора в фотоэлектрохимических солнечных элементах на основе TiO2. Определён диапазон эффективного поглощения солнечного излучения данным красителем. В системе Matlab проведено моделирование струк-
TiO2, -
щению интенсивности солнечного излучения, на основе полученных коэффициентов погло-.
; ; TiO2.
S.P. Malyukov, A.V. Saenko
RESEARCH THE ABSORPTION SPECTRUM OF EOSIN DYE FOR APPLICATION IN SOLAR CELLS BASED ON TiO2
The absorption spectra of organic eosin dye with the help of spectrophotometer for use as a sensitizer in photoelectrochemical solar cells based on TiO2 is investigated. The range of effective absorption of solar radiation the given dye is defined. In the system of Matlab to simulate the structure of the eosin sensitized TiO2 _ film, consistent with the effective absorption of solar radiation intensity, on the basis of the absorption coefficients of eosin.
Eosin dye; solar radiation absorption; nanostructured TiO2 film.
В последнее время большие усилия направлены на разработку и исследование фотоэлектрохимических сенсибилизированных красителем солнечных элементов (СКСЭ), которые способны непосредственно преобразовывать солнечное излучение в электричество и представляют собой техническую и экономическую альтернативу традиционным солнечным элементам на основе p-n-перехода. Основу СКСЭ составляет поглощающий солнечное излучение фотоэлектрод из нанопо-ристого диоксида титана (TiO2), покрытого монослоем органического красителя. Преимуществами использования TiO2 являются его высокая химическая стабильность в растворе электролита, низкая стоимость и отсутствие токсичности. Однако TiO2 может эффективно поглощать только ультрафиолетовую область, которая составляет менее 4 % солнечного спектра. Для расширения светочувствительности TiO2 ,
( ), -ствует значительному улучшению фотоэлектрических характеристик солнечного элемента [1-3].
Данная работа посвящена исследованию спектра поглощения органического красителя эозина (эозин-натрий водорастворимый, молярная масса 691,6 г/моль) для применения в качестве сенсибилизатора плёнки ТЮ2 в СКСЭ и определению с помощью моделирования структуры плёнки ТЮ2, соответствующей эффективному поглощению солнечного излучения в области поглощения красителя эозина.
Спектр поглощения эозина исследовался с помощью спектрофотометра СФ-26 в диапазоне длин волн 360-640 нм при нормальном падении света на образец от лампы накаливания. Спектрофотометр непосредственно использовался для
(Т)
спирте (исследуемый образец) [4-7].
На основе полученных значений коэффициентов пропускания красителя эо-
,
(л-моль-1-см-1) на каждой длине волны согласно закону Бугера-Ламберта-Бера:
£ =
ОТ сь '
(1)
где С - концентрация эозина в растворе, моль/л; Ь - толщина слоя раствора (кюветы), которая составляла 1 см [5, 6].
Спектральная характеристика поглощения эозина строилась в виде зависимости рассчитанных десятичных молярных коэффициентов поглощения £ от длины волны X (рис. 1). Построение графика осуществлялось в системе Майсаё с использованием функции кубической сплайн-интерполяции.
О
¡(г) б
Длин;
а волны
(НМ)
Рис. 1. Спектр поглощения красителя эозина
Основным условием эффективного поглощения солнечного излучения видимой области спектра сенсибилизированной красителем плёнкой ТЮ2 для применения в качестве фотоэлектрода в СКСЭ является поглощение примерно всей интенсивности падающего светового излучения монослоем красителя в его области поглощения, в данном случае для эозина в области 450-555 нм.
На основе представленных расчётов в [8], нами было получено выражение для моделирования зависимости коэффициентов поглощения (А) сенсибилизированной эозином плёнки ТЮ2 от её диаметра частиц (ф и толщины (Ь):
(3-Ю20 Ь(мкм) е(л-моль 1-см 1)\
1 — МА(моль-1) Эмол (нм) (1(нм) 1 X 100 %, (2)
где 8М0Л - площадь, занимаемая молекулами красителя (1 нм2); ^ - постоянная .
Для повышения эффективности поглощения солнечного излучения при построении зависимости коэффициента поглощения от диаметра частиц и толщины плёнки Ті02 (рис. 2) использовалось наименьшее значение десятичного молярного коэффициента поглощения эозина в области 450-555 нм, которое составило 0,34-104 л-моль"1-см"1.
Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения от диаметра частиц и толщины сенсибилизированной эозином плёнки ТЮ2
На рис. 3 представлена зависимость коэффициента поглощения сенсибилизированной эозином плёнки ТЮ2 от диаметра частиц при оптимальной её толщине 10 мкм. Толщина плёнки ТЮ2 не должна превышать диффузионной длины электронов в ней, которая составляет порядка 10-15 мкм [1-2].
Исходя из полученного спектра поглощения на рис. 1, можно предположить, что энергия возбуждения красителя эозина составляет порядка 2,2 эВ (Е = Ие/Х, где X = 525 нм), т.е. энергия перехода молекулы из основного в возбуждённое состояние с большей энергией. Таким образом, данный краситель может эффективно
450-555 -
глощательным пиком на 525 нм (11,2-104 л-моль"1-см"1) и использоваться для сенсибилизации нанопористой плёнки ТЮ2.
В результате моделирования структуры сенсибилизированной плёнки ТЮ2 ( . 2 3) , -
сибилизированная плёнка, состоящая из частиц ТЮ2 нанометрового размера в диапазоне от 5 до 25 нм при толщине плёнки 5-15 мкм. Данная структура плёнки ТЮ2 соответствует коэффициенту поглощения солнечного излучения порядка 80 % и более при минимальном эффективном значении десятичного молярного коэффициента поглощения эозина. Оптимальной может быть названа сенсибилизированная эозином плёнка ТЮ2 толщиной порядка 10 мкм, состоящая из частиц 25 .
100 95 90 85 80 с о f Т5 V) _о < 70 65 60 55 50
10 15 20 25 30 35 40 45 50 Diametr paticles b(nm)
Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения от диаметра частиц сенсибилизированной эозином плёнки TiO2 при её толщине 10 мкм
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Antonio Luque, Steven Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. - England. - 2003. - P. 1115.
2. Michael Gratzel. Review Dye-sensitized solar cells // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. - 2003. - P. 145-153.
3. Евдокимов А.А., Мишина Е.Д., Вальднер В.О. Получение и исследование наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.
- 146 с.
4. . . .
- Ленинград: Наука, 1967. - 616 с.
5. . ., . ., . . . . 1: -
ческие свойства и дефекты кристаллов и стекол. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. - 73 с.
6. Melissa Penny. Mathematical Modelling of Dye-Sensitised Solar Cells. A thesis for the degree of Doctor of Philosophy, 2006. - P. 241.
7. . . ,
. - 2009 // .
- Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. - C. 78.
8. Manюков С.П., Саенко AM. Моделирование поглощения солнечного излучения плёнкой TiO2 в сенсибилизированном красителем солнечном элементе // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 12 (113). - C. 148-153.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м., профессор АЛ. Жорник.
Малюков Сергей Павлович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: malyukov@fep.tsure.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371603.
Кафедра конструирования электронных средств; заведующий кафедрой; д.т.н.; профессор; член-корреспондент РАЕН.
Саенко Александр Викторович E-mail: aleks@fep.tti.sfedu.ru.
Кафедра конструирования электронных средств; аспирант.
Malyukov Serguei Pavlovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: malyukov@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371603.
The Department of Electronic Apparatuses Design; the Department Head; Dr. of Eng. Sc., Professor; Corresponding Member RANS.
Saenko Alexandr Victorovich
E-mail: aleks@fep.tti.sfedu.ru.
The Department of Electronic Apparatuses Design; Postgraduate Student.
УДК 621.35
A.M. Светличный, ОБ. Спиридонов, Л.Г. Линец, АХ. Коломийцев,
. . , . .
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СЛОЕВ ПОРИСТОГО КАРБИДА
КРЕМНИЯ
Рассматриваются вопросы технологии создания пористых слоев карбида кремния (SiC) для газочувствительных сенсоров. Цель работы - исследование технологических режимов получения пористого карбида кремния, с учетом влияния исходных характеристик материала на структуру получаемых пористых слоев карбида кремния. В работе дается обоснование выбранным режимам: плотности тока и времени анодирования. В результате исследования пористых слоев обнаружено отслаивание пористого слоя в образцах анодированных при плотности тока 20 и 40 мА/см2. Формирование пористых слоев SiC целесообразно проводить при плотности тока 10 мА/см2. При j = 40мА/см2 обнаружено существование двух пористых слоев.
Карбид кремния; пористость; электрохимическое травление; сканирующая электронная ( ).
A.M. Svetlichnyi, O.B. Spiridonov, L.G. Linets, A.S. Kolomiytsev, V.A. Smirnov,
E.Y. Volkov
STRUCTURAL INVESTIGATION OF LAYERS OF POROUS SILICON
CARBIDE
The problems of the technology of porous layers of silicon carbide (SiC) for the gassensitive sensors. The aim of the work is the investigation of technological conditions of porous silicon carbide fabrication paying attention on the influence of based material characteristics on the structure of obtained layers of porous silicon carbide. Chosen conditions like current density and time of anodization are explained. Peeling of porous layers which were created at a current density of 20 and 40 mA/cm2 is detected. The formation of porous SiC layers is reasonable to carry out at a current density of 10 mA/cm2. The existence of two porous layers is detected at the density of 40 mA/cm2.
Silicon carbide; porosity; electrochemical etching; scanning electron microscopy (SEM).
Эффективность работы датчика газа зависит от его адсорбционной способности, в первую очередь определяемой рабочей площадью поверхности чувствительного элемента (ЧЭ). Существенного увеличения рабочей площади, не прибегая к увеличению размеров самого сенсора, можно добиться с помощью использования пористой структуры материала. Поэтому исследование зависимости струк-
