Модификация перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов плазмонными наночастицами
Д.А. Рыжкова, А.А. Череповская
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.711
Оригинальная статья
Аннотация: Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, и перовскитные солнечные элементы могут работать в условиях низкой и рассеянной солнечной радиации, что делает их перспективными кандидатами для замены доминирующих на рынке фотопреобразователей на основе кремния. Эффективность таких устройств во многом определяется морфологией электронпроводящих фотоэлектродов. Одной из стратегий для ее повышения является встраивание в фотоэлектродный слой наночастиц Ag и Au. Они, благодаря явлению поверхностного плазмонного резонанса, усиливают рассеяние подающего света и влияют на механизм трансфера электронов в зону проводимости полупроводника, что приводит к возрастанию электрического тока, генерируемого солнечным элементом. В представленной работе рассмотрено влияние ряда параметров встраиваемых наночастиц на эффективность фотопреобразователей, таких как размер, форма и диэлектрическое окружение. Показано, что использование биметаллических соединений Ag-Au, Ag-Cu и гетерогенных структур различного вида позволяет достичь более высокого КПД солнечных элементов по сравнению с устройствами, модифицированными монометаллическими наночастицами.
Ключевые слова: солнечные элементы сенсибилизированные красителем, перовскитные солнечные элементы, наночастицы, серебро, золото, поверхностный плазмонный резонанс, биметаллические наночастицы, структура ядро-оболочка
- Рыжкова Дарья Антоновна – аспирант четвертого года обучения, старший преподаватель кафедры математики, физики и информационных технологий, ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»
- Череповская Арина Александровна – студент магистратуры 2 курса обучения кафедры математики, физики и информационных технологий, ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»
Ссылка на статью:
Рыжкова, Д.А. Модификация перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов плазмонными наночастицами / Д.А. Рыжкова, А.А. Череповская // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 711-719. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.711.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Никольская, А.Б. Эффективность преобразования перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов при различных интенсивностях солнечного излучения / А.Б. Никольская, С.С. Козлов, М.Ф. Вильданова, О.И. Шевалеевский // Журнал технической физики. – 2019. – Т. 53. – Вып. 4. – С. 550-554. DOI: 10.21883/FTP.2019.04.47456.9023.
2. Антуш, М. Применение фото-анода на основе TiO2/красителя N719 в сенсибилизированном красителем солнечном элементе и анализ его характеристик / М. Антуш, С.А. Григорьев, В.М.А.Э. Руби, П. Мийе // Электрохимия. – 2020. – Т. 56. – № 11. – С. 1024-1033. DOI: 10.31857/S0424857020100023.
3. Kou, Y. Unique dye-sensitized solar cell using carbon nanotube composite papers with gel electrolyte / Y. Kou, T. Oya // Journal of Composites Science. – 2023. – V. 7. – I. 6. – Art.№. 232. – 13 p. DOI: 10.3390/jcs7060232.
4. Wanwong, S. The effect of co-sensitization methods between N719 and boron dipyrromethene triads on dye-sensitized solar cell performance / S. Wanwong, W. Sangkhun, J. Wootthikanokkhan // RSC Advances. – 2018. – V. 8. – I. 17. – P. 9202-9210. DOI: 10.1039/c8ra00862k.
5. Liang, A. The surface-plasmon-resonance effect of nanogold/silver and its analytical applications / A. Liang, Q. Liu, G. Wen, Z. Jiang // Trends in Analytical Chemistry. – 2012. – V. 37. – P. 32-47. DOI: 10.1016/j.trac.2012.03.015.
6. Lim, S.P. Essential role of N and Au on TiO2 as photoanode for efficient dye-sensitized solar cells / S.P. Lim, A. Pandikumar, H.N. Lim, N.M. Huang // Solar Energy. – 2016. – V. 125. – P. 135-145. DOI: 10.1016/j.solener.2015.12.019.
7. Kabir, D. Dye-sensitized solar cell with plasmonic gold nanoparticles modified photoanode / D. Kabir, T. Forhad, W. Ghann et. al. // Nano-Structures & Nano-Objects. – 2021. – V. 26. – Art. № 100698. – 6 p. DOI: 10.1016/j.nanoso.2021.100698.
8. Photiphitak, C. Effect of silver nanoparticle size on efficiency enhancement of dye-sensitized solar cells / C. Photiphitak, P. Rakkwamsuk, P. Muthitamongkol, C. Sae-Kung, C. Thanachayanont // International Journal of Photoenergy. – 2011. – V. 2011. – I. 1. – 8 p. DOI: 10.1155/2011/258635.
9. Sreeja, S. Plasmonic enhancement of betanin-lawsone co-sensitized solar cells via tailored bimodal size distribution of silver nanoparticles / S. Sreeja, B. Pesala // Scientific Reports. – 2020. – V. 10. – Art. № 8240. – 17 p. DOI: 10.1038/s41598-020-65236-1.
10. Shamsudin, N.H. Flexible back-illuminated dye sensitised solar cells (DSSCs) with titanium dioxide/silver nanoparticles composite photoanode for improvement of power conversion efficiency / N.H. Shamsudin, S. Shafie, M.Z.A. Ab Kadir et. al. // Optik. – 2023. – V. 272. – Art. № 170237. – 10 p. DOI: 10.1016/j.ijleo.2022.170237.
11. Chen, Y.-S. A new class of thiolated gold sensitizers delivering efficiency greater than 2% / Y.-S. Chen, H. Choi, P.V. Kamat // Journal of the American Chemical Society. – 2013. – V. 135. – I. 24. – P. 8822-8825. DOI: 10.1021/ja403807f.
12. Abbas, M.A. Ag(I)-thiolate-protected silver nanoclusters for solar cells: electrochemical and spectroscopic look into the photoelectrode/electrolyte interface / M.A. Abbas, S.J. Yoon, H. Kim et. al. // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – V. 11. – I. 13. – P. 12492-12503. DIO: 10.1021/acsami.9b00049.
13. Song, D.H. Multi-shaped Ag nanoparticles in the plasmonic layer of dye-sensitized solar cells for increased power conversion efficiency / D.H. Song, H.S. Kim, J.S. Suh, B.H. Jun, W.Y. Rho // Nanomaterials. – 2017. – V. 7. – I. 6. – Art.№ 136. – 11 p. DOI: 10.3390/nano7060136.
14. Joshi, D.N. Facile one-pot synthesis of multi-shaped silver nanoparticles with tunable ultra-broadband absorption for efficient light harvesting in dyesensitized solar cells / D.N. Joshi, P. Ilaiyaraja, C. Sudakar, R.A. Prasath // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2018. – V. 185. – P. 104-110. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.05.018.
15. Selvapriya, R. Impact of coupled plasmonic effect with multishaped silver nanoparticles on efficiency of dye sensitized solar cells / R. Selvapriya, T. Abhijith, V. Ragavendran et. al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – V. 894. – Art.№ 162339. – 26 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162339.
16. Shahzad, N. Silver–copper nanoalloys-an efficient sensitizer for metal-cluster-sensitized solar cells delivering stable current and high open circuit voltage / N. Shahzad, F. Chen, L. He, W. Li, H. Wang // Journal of Power Sources. – 2015. – V. 294. – P. 609-619. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.06.124.
17. Salimi, K. Plasmonic mesoporous core-shell Ag-Au@TiO2 photoanodes for efficient light harvesting in dye sensitized solar cells / K. Salimi, A. Atilgan, M. Y. Aydin et. al. // Solar Energy. – 2019. – V. 193. – P. 820-827. DOI: 10.1016/j.solener.2019.10.039.
18. Li, W. Alloying effect on performances of bimetallic Ag–Au cluster sensitized solar cells / W. Li, F. Chen // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V. 632. – P. 845-848. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.01.306.
19. Liu, Q. Au@Ag@Ag2S heterogeneous plasmonic nanorods for enhanced dye-sensitized solar cell performance / Q. Liu, Y. Sun, M. Yao et. al. // Solar Energy. – 2019. – V. 185. – P. 290-297. DOI: 10.1016/j.solener.2019.04.079.
20. Ai, B. Plasmonic–perovskite solar cells, light emitters, and sensors / B. Ai, Z. Fan, Z.J. Wong // Microsystems and Nanoengineering. – 2022. – V. 8. – Art. № 5. – 28 p. DOI: 10.1038/s41378-021-00334-2.
21. Mashrafi, M. Modeling the path to> 30% power conversion efficiency in perovskite solar cells with plasmonic nanoparticles / M. Mashrafi, M.H.K. Anik, M.F. Israt, A. Habib, S. Islam // RSC Advances. – 2023. – V. 13. – I. 28. – P. 19447-19454. DOI: 10.1039/d3ra02589f.
22. Mohammadi, M.H. Morphological investigation and 3D simulation of plasmonic nanostructures to improve the efficiency of perovskite solar cells / M.H. Mohammadi, M. Eskandari, D. Fathi // Scientific Reports. – 2023. – V. 13. – Art.№. 18584. – 12 p. DOI: 10.1038/s41598-023-46098-9.
23. Pathak, N.K. Plasmonic perovskite solar cells utilizing Au@SiO2 core-shell nanoparticles / N.K. Pathak, N. Chander, V.K. Komarala, R.P. Sharma // Plasmonics. – 2017. – V. 12. – I. 2.– P. 237-244. DOI: 10.1007/s11468-016-0255-9.
24. Omrani, M. Impacts of plasmonic nanoparticles incorporation and interface energy alignment for highly efficient carbon-based perovskite solar cells / M. Omrani, R. Keshavarzi, M. Abdi-Jalebi, P. Gao // Scientific Reports. – 2022. – V. 12. – Art. № 5367. – 10 p. DOI: 10.1038/s41598-022-09284-9.