Hybrydowe ogniwa słoneczne zbudowane na bazie dwusiarczku molibdenu i dwutlenku tytanu

Abstract

Przedmiotem pracy są ogniwa słoneczne oparte na heterozłączach na bazie $MoS_{2}$ oraz $TiO_{2}$. Głównym celem badań przedstawionych w pracy jest maksymalizacja wydajności konwersji energii słonecznej na elektryczną poprzez optymalizację procesu otrzymywania heterozłączy $MoS_{2} - TiO_{2}$ z wykorzystaniem kwantowego efektu rozmiarowego w $MoS_{2}$. Wytworzone serie próbek poddano charakteryzacji przy pomocy następujących metod: spektroskopii Ramana, dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego XRD, transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM oraz spektroskopii optycznej UV - ViS. Sprawność otrzymanych ogniw słonecznych była wyznaczana na podstawie pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych. Spektroskopia mas jonów wtórnych SIMS została wykorzystana do badania składu chemicznego oraz jakości interfejsów w wytworzonych ogniwach słonecznych. Zauważono, że szerokość przerwy energetycznej $MoS_{2}$ wzrasta wraz ze zmniejszaniem grubości warstwy $MoS_{2}$, a co za tym idzie, wraz ze zmniejszaniem się średniego rozmiaru krystalitów $MoS_{2}$. Uzasadnienie tej zależności przypisano zajściu rozmiarowego efektu kwantowego w cienkich warstwach $MoS_{2}$. Dzięki występowaniu rozmiarowego efektu kwantowego poziomy walencyjne i przewodnictwa w $MoS_{2}$ są dobrze dopasowane do poziomów energetycznych w $TiO_{2}$ i P3HT. Najwyższą sprawność wynoszącą 2,62% uzyskano dla ogniwa słonecznego opartego na heterozłączu planarnym o grubości warstw: 8nm dla $MoS_{2}$ oraz 22 nm dla $TiO_{2}$. W przypadku ogniw opartych na heterozłączach objętościowych najwyższa uzyskana sprawność wynosiła 1,63% dla ogniwa opartego na heterozłączu $MoS_{2}@TiO_{2}$ o grubości 7 nm. The subject of the thesis are solar cells based on $MoS_{2}$ and $TiO_{2}$ heterojunctions. The main goal of the research presented in the work is to maximize the efficiency of solar energy conversion into electricity by optimizing the process of obtaining $MoS_{2} - TiO_{2}$ heterojunctions using the quantum size effect in $MoS_{2}$. The produced series of samples were characterized using the following methods: Raman spectroscopy, XRD diffraction, transmission electron microscopy TEM and UV- ViS optical spectroscopy. The efficiency of obtained solar cells was determined on the basis of measurements of the current - voltage characteristics. SIMS secondary ion mass spectroscopy was used to study the chemical composition and quality of the interfaces in produced solar cells. It was observed that the energy gap of the $MoS_{2}$ increases with the decrease of the thickness of the $MoS_{2}$ layer and thus with the decrease of the average size of the $MoS_{2}$ crystallites. The justification for this relationship was attributed to the occurrence of the quantum size effect in thin $MoS_{2}$ films. Due to the quantum size effect, the valence and conductivity levels in $MoS_{2}$ are well fitted to the energy levels in $TiO_{2}$ and P3HT. The highest efficiency of 2.62% was obtained for a solar cell based on a planar heterojunction with a layer thickness of 8nm for $MoS_{2}$ and 22nm for $TiO_{2}$. In case of cells based on bulk heterojunctions, the highest efficiency obtained was 1.63% for a cell based on a 7 nm thick $MoS_{2}@TiO_{2}$ heterojunction.