Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Oxide based intermediate band materials

Alternativ tittel: Oksydbaserte mellombåndmaterialer

Tildelt: kr 9,1 mill.

I dette prosjektet utviklet vi nye materialer for såkalte mellombåndsolceller, på en ny måte. Materiale ble studert både teoretisk og eksperimentelt. Prosjektet tok utgangspunkt i eksisterende teoretiske resultater som viste at mellombåndsolcelle basert på titandioksid (TiO2) tilsatt (dopet med) krom (Cr) og nitrogen (N) kunne oppnå en effektivitet på 52 %, om solcellen ble belyst med maksimalt konsentrert sollys. Til sammenligning kan dagens solcelle-teknologi oppnå 41 %, ved samme betingelser. I løpet av prosjektet gjorde vi egne beregninger av effektiviteten, for normalt, ukonsentrert sollys, og fant at for TiO2 vil maksimal effektivitet være på ca 44 %, dersom dopingen fører til ønsket endring i materialegenskapene, sammenlignet med 33 % for dagens teknologi for ukonsentrert lys. For at solcellene skal være mer effektive, så må det nye materialet absorbere en større del av solspekteret. For dopet TiO2 ønsker vi altså at dopingen med Cr og N skal gi økt absorpsjon av lys. Beregninger har vist at det ideelt bør være like mengder krom og nitrogen. I tillegg til å dope TiO2 med andre grunnstoff, så kan de ønskede optiske egenskapene potensielt oppnås ved å fjerne oksygen fra materialet, for å lage såkalt sub-støkiometrisk TiO2. Visuelt kan den økte absorpsjonen av lys sees ved at materialet går fra å være helt gjennomsiktig for rent TiO2, til å bli mørkere når økte mengder doping tilsettes eller økt mengde oksygen fjernes. I prosjektet utførte en postdoktorstipendiat nye teoretiske beregninger av egenskapene til Cr og N dopet TiO2, og de viste at dopingen også kunne føre til uønskede effekter. Materialet kunne få egenskaper som gjorde dem mindre egnet for bruk i mellombåndsolceller, på tross av økt absorpsjon. Et unntak var hvis Cr og N atomene plasserer seg nær hverandre, og i lag adskilt av TiO2 uten doping. Det eksperimentelle arbeidet i prosjektet handlet i hovedsak om å framstille og karakterisere udopet og dopet TiO2, og sub-støkiometrisk TiO2. Også andre materialer ble karakterisert (sub-støkiometrisk MoO3, og dopet Cu2O og ZnS). Første stipendiat disputerte i 2019 og den andre i 2023. Den første gjorde avansert, røntgenstrålebasert, karakterisering av de nye materialene, både dopede og sub-støkiometriske oksider. Hun studerte hvordan både doping og avvik fra støkiometri kan føre til dannelse av elektrontilstander i båndgapet til materialene. Slike elektrontilstander er kjernen i mellombåndmaterialer, og det er viktig å kunne detektere disse tilstandene på en god måte. Den andre stipendiaten undersøkte materialenes optiske egenskaper ved hjelp av spektroskopisk ellipsometri. Han bidro også til å videreutvikle en metode for lage tynne filmer av TiO2 hvor mengden doping varierte lateralt i filmen. Normalt må man lage en ny film for hver mengde doping, så den nye metoden gjør at man sparer mye tid. I tillegg vet man at andre betingelser er identiske for de ulike mengdene doping siden de lages i samme eksperiment. Med den nye teknikken kunne vil lage materialene i tynne sjikt av doping adskilt av lag med TiO2. Det viste seg å være en utfordring å inkorporere liknende mengder krom og nitrogen, men etter å ha utviklet den nye metoden ytterligere, lyktes vi med dette. Vi kunne inkorporere større mengder krom og nitrogen enn det andre har oppnådd ved bruk av pulset laser deponering. Da vi studerte egenskapene til filmene med varierende doping, så fant vi økt absorpsjon i deler av solspektret i overensstemmelse med teoretiske beregninger, men kun for de prøven med tilsvarende mengder krom og nitrogen. Vi har fått lovende resultater for flere av materialene som er studert, selv om mye arbeid gjenstår før man kan konkludere om vi har klart å lage mellombåndmaterialer med de ønskede egenskapene. I tillegg til postdoktoren og de to stipendiatene har 17 masterstudenter vært involvert i prosjektet, i perioden 2016 - 2023.

Både de teoretiske og eksperimentelle resultatene har stor nytteverdi for videre utvikling av mellombåndmaterialer, både lokalt og globalt. Forståelsen av hvor viktig det er å kunne kontrollere plasseringen av dopeatomene er av stor betydning, for hvordan man velger å framstille slike materialer. Vi har etablert bruken av nye teknikker i forskningsgruppa i løpet av prosjektet, som gjør oss bedre i stand til å fortsette forskningen. Dette gjelder både innen de avanserte karakteriseringsteknikkene, men ikke minst innen framstilling av lagdelte materialer og bruk av ulike bakgrunnsgasser. Dette gir oss et fortrinn sammenlignet med andre grupper som ikke har de samme mulighetene og kunnskapen. Resultatene forventes å være viktige ikke bare for de som utvikler oksid-baserte mellombånd-materialer, men også for de som forsker på andre anvendelser av krom- og nitrogen-dopet TiO2, som for eksempel foto-katalyse (brukt for rensing av luft og vann) og foto-elektrokjemiske celler (brukt for hydrogenproduksjon).

The project aims to develop materials for so-called intermediate band solar cells (IBSCs) for renewable electricity generation. Many other solar cell improvements, such as light conversion and light trapping, give only incremental increases in efficiencies (i.e. from say 20% to 22%), while intermediate band solar cells potentially increases the efficiency with 50-100% (from 20% to 30-40%, or even more for concentrated light). The research includes a new approach to the design of new intermediate band materials, where defect-engineering will be used to optimize the filling of the intermediate band, as well as the electronic properties of the material. We will utilize the huge global research effort that has been undertaken to develop materials based on titanium-dioxide, TiO2, for photo-catalytic applications, and will apply the findings, with suitable adaptations, on intermediate band solar cells. In addition, we expand this knowledge by including point defects in the TiO2, when the electronic and optical properties are calculated using a density functional approach for co-doped TiO2. Finally, we will contribute with new knowledge on the optical properties of these materials, as well as knowledge on the electronic states within the TiO2 bandgap. The material properties will be obtained by using national infrastructures for advanced materials characterization.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek