"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9081
ETF9081 "Absorberkihid keemilise pihustuspürolüüsi meetodil nanostruktuursetele päikesepatareidele (1.01.2012−31.12.2015)", Malle Krunks, Tallinna Tehnikaülikool, Keemia ja materjalitehnoloogia teaduskond.
ETF9081
Absorberkihid keemilise pihustuspürolüüsi meetodil nanostruktuursetele päikesepatareidele
Absorber layers by chemical spray pyrolysis for nanostructured solar cells
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT150 Materjalitehnoloogia2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).34,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.11. Keemia ja keemiatehnikaP300 Analüütiline keemia 1.3. Keemiateadused (keemia ja muud seotud teadused)33,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP260 Tahke aine: elektrooniline struktuur, elektrilised, magneetilised ja optilised omadused, ülijuhtivus, magnetresonants, spektroskoopia1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)33,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.20127 080,00 EUR
01.01.2013−31.12.20137 080,00 EUR
01.01.2014−31.12.20147 080,00 EUR
01.01.2015−31.12.20157 080,00 EUR
28 320,00 EUR

Projekti eesmärgiks on alternatiivsete absorbermaterjalide õhukeste kilede sadestamine lihtsal ning odaval keemilise pihustuspürolüüsi meetodil ja nende baasil nanostruktuursete päikesepatareide väljatöötamine, ja seekaudu aidata kaasa kõrge rentaablusega päikeseenergeetika arengule. Projektis on kavas uurida uute innovaatiliste absorbermaterjalide nagu Sb2S3 ja Cu2ZnSnS4 õhukeste kilede sadestamist keemilise pihustuspürolüüsi meetodil ja parendada pihustusmeetodil saadavate CuInS2 kilede omadusi. Uurimistööde plaan näeb ette nimetatud materjalide moodustumise keemilise reaktsioonide väljaselgitamist pihustuspürolüüsi protsessis, kontrollitud omadustega kilede kasvatamist ja pihustatud absorberkilede rakendamist üliõhukese absorberkihiga (i.k. extremely thin absorber - eta) päikesepatareides. Sb2S3, CuInS2 ja Cu2ZnSnS4 moodustumise keemia alaste uuringute raamas on kavas uurida keemilisi reaktsioone lähteainete vahel pihustuslahuses, võimalike vaheühendite teket ja termilist lagunemist erinevates keskkondades. Pihustuslahuses tekkinud vaheühendid, mis kilede moodustumise seisukohast on prekursorained, identifitseeritakse FTIR, Raman spektroskoopia ja XRD meetoditel. Vaheühendite termilise lagunemise uurimiseks rakendatakse termoanalüütiliste meetodite kompleksi (TG/DTA/GTG+EGA(FTIR+MS). Kilede sadestamise tehnoloogilised parameetrid valitakse ainete moodustumise keemia uurimistulemuste põhjal. Õhukesed kiled valmistatakse pneumaatilise ja/või ultraheli pihustamise meetoditel. Õhukese kilede omadusi sõltuvalt tehnoloogilistest parameetritest uuritakse XRD, Raman, SEM, EDS, XPS meetoditel, aga ka optiliste ja elektriliste omaduste uurimise kaudu, et leida sobivad tehnoloogilised tingimused päikesepatareideks vajalike omadustega absorberkilede valmistamiseks. ZnO nanovarrastest koosnevate nanostruktuuride baasil valmistatakse eta-tüüpi päikesepatareid kasutades pihustusmeetodil valmitatud CuInS2, Sb2S3 ja Cu2ZnSnS4 absorberkihte. Valmistatud eta-tüüpi päikesepatareide omadusi uuritakse I-V, EQE ja impedantsspektroskoopia meetoditel. TTÜ Materjaliteaduse instituudis on olemas kaasaegne infrastruktuur uurimistöö edukaks läbiviimiseks. Planeeritud projekt on senise uurimistöö edasiarendus, uurimisgrupi liikmetel on kogemus . Projekti üheks oluliseks ülesandeks on noorteadlaste järelkasvu toetamine. Uurimistöö tulemused publitseeritakse igal aastal vähemalt kahe CC tasemel artiklina ning esitatakse rahvusvahelistel konverentsidel.
The project has general aim to contribute to the development of cost-effective photovoltaics applying simple and low cost preparation method of chemical spray pyrolysis (CSP) for thin film deposition and elaborating nanostructured solar cells. The project covers the deposition of thin films of new innovative absorbers Sb2S3 and Cu2ZnSnS4 by CSP and improvement of CSP-CuInS2 films. It is planned to study the chemistry of formation of named materials in CSP process, growth of thin films and their applicability in extremely thin absorber (eta) solar cells. The studies of formation of Sb2S3, CuInS2 and Cu2ZnSnS4 comprise examination of chemical reactions in spray solution, (potential) formation of intermediate compounds, and their thermal decomposition in different atmospheres. Intermediate compounds (precursors for the films) will be characterized using FTIR, Raman, XRD; complex of thermal analysis techniques (TG/DTA/DTG+EGA(FTIR+MS) will be applied to study the thermal decomposition reactions. The choice of thin film deposition parameters will be made on the basis of the results of chemistry studies. The films will be prepared by pneumatic and/or ultrasonic spray. Structure, phase and elemental composition of the films will be characterised by methods of XRD, Raman, SEM, EDS, XPS, as well as optical and electrical properties will be studied with the aim to prepare thin films with device-quality properties. Eta-type solar cells on ZnO nanostructures comprising nanorods will be prepared using CSP-deposited absorber layers. Solar cells will be characterized applying I-V, EQE, impedance spectroscopy methods. Advanced infrastructure is available at the Department of Materials Science to perform high level research. The project is a continuation of the studies in the field where research group has earlier experience. One important aim of the project is to support off-spring of young researchers. Results of the studies will be published at least in 2 CC papers annually and presented at international conferences.
Projekti eesmärk oli arendada uusi õhukesekilelisi absorberkihte tehniliselt lihtsa, seega odava keemilise pihustuspürolüüsi meetodil. Püstitasime kaks põhilist ülesannet: 1) arendada uusi absorberkihte; 2) testida sünteesitud absorbereid päikesepatarei struktuurides. Vastavalt sellele viidi uurimistöö läbi 2 WP all. WP1: uuriti uute innovatiivsete absorberite nagu Sb2S3 and SnS kilede kasvatamise, ning CuIns2 kilede omaduste parendamise võimalusi. Töötasime välja peamised tehnoloogilised tingimused Sb2S3 kihtide sadestamiseks, sealhulgas näitasime ära seni kasutatud retsepti ebasobivuse ja pakkusime välja uue lahuse koostise ning sadestustemperatuurid, mis võimaldavad kasvatada ühefaasilist Sb2S3, mille Eg=1.6 eV, ja milline töötab hübriidses patareis. CuInS2 omaduste parendamise eesmärgil uurisime 1) aine moodustumist erinevatest prekursorainetest termoanalüütiliste meetoditega, tulemuste põhjal modifitseerisime sadestusprotsessi; 2) valguse neeldumisvõime tõstmiseks üliõhukeses absorberkihis rakendasime metalli nanoosakeste poolt põhjustatud plasmonresonantsefekti. SnS kilede tehnoloogia väljatöötamiseks uurisime: 1) SnS kilede moodustumise keemiat, sh vaheainete tekkimist ja termilist lagunemist; 2) erinevate lähteainete , nende molaarsuhte (lahuses) ja kasvutemperatuuri mõju. Põhilised tehnoloogilised tingimused SnS kilede saamiseks on määratud ning eeldused loodud uurimistöö jätkamiseks Cu2ZnSnS4 kilede sadestamise temaatikas. WP2 raames valmistasime ZnO nanovarrastel baseeruva üliõhukese CuInS2 absorberiga patarei ja uurisime seadise füüsikalisi omadusi. Tõime välja seadise eelised, puudused ja edasise arendamise teed. Nanokomposiitne CuInS2/Au absorber näitas suuremat valguse neeldumise võimet ja selle põhjal valmistatud patarei kõrgemat efektiivsust. Eksperimentaalselt tõestati, et pihustatud Sb2S3 kiht töötab absorberina hübriidses patareis.