Plazmoniczne ogniwa fotoelektrochemiczne

• Autorzy: Jakubowska Małgorzata , Parzuch Aleksandra , Bieńkowski Krzysztof , Solarska Renata , Wróbel Piotr

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.6371

Warianty tytułu

EN

Plasmonic electrochemical cells

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wciąż rosnące globalne zapotrzebowanie na czystą energię wymusza opracowanie technologii wytwarzania jej wydajnych i odnawialnych źródeł. Jednym z kierunków rozwoju są cienkowarstwowe układy fotowoltaiczne pozwalające na wydajną konwersję energii słonecznej na elektryczną lub chemiczną i wykorzystanie jej do produkcji wodoru, który jest jednym z najbardziej obiecujących pierwiastków do magazynowania „zielonej energii”. wydajność układów fotowoltaicznych determinowana jest m.in. własnościami półprzewodnika, w którym następuje absorpcja światła i generacja par elektron-dziura. efektywność tego procesu może zostać podniesiona dzięki wykorzystaniu powierzchniowego rezonansu plazmonowego wzbudzonego na nanocząstkach metalicznych umieszczonych na powierzchni lub wewnątrz materiału aktywnego. kolektywne drgania plazmy elektronowej wzbudzone w nanocząstce prowadzą do pułapkowania i wzmocnienia pola elektromagnetycznego, które rezonansowo rozproszone do warstwy aktywnej podnosi absorpcję w ogniwie. dobór materiału, rozmiaru oraz kształtu nanocząstek pozwala na widmowe strojenie absorpcji w układzie. celem badań w tej pracy jest poprawa wydajności ogniw z elektrodami z tlenku miedzi dzięki zastosowaniu nanocząstek srebra domieszkowanego palladem. nanocząstki wytworzono metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej. wykonane struktury charakteryzowano optycznie za pomocą spektrofotometrii oraz mikroskopii SEM. Przeprowadzone prace wykazują wzrost wydajności ogniwa zależny od kształtu oraz wielkości wykorzystanych nanocząstek. najlepsze wyniki uzyskano dla układów poddanych wygrzewaniu po osadzeniu nanocząstek, co skutkuje poprawą ich trwałości chemicznej i odpowiedzi optycznej.

EN

The constantly growing global demand for clean energy forces the development of technologies producing efficient and renewable energy sources. one direction of development is thin-film photovoltaic systems that allow for the efficient conversion of solar energy to electrical or chemical energy and their usage in production of hydrogen, which is one of the most promising elements for storing green energy. The efficiency of photovoltaic systems is determined, among others factors, by properties of a semiconductor in which light is absorbed and electron-hole pairs are generated. The efficiency of this process can be increased by using surface plasmon resonance induced on metallic nanoparticles located on the surface or inside the active material. collective oscillations of the electron plasma excited in the nanoparticle lead to trapping and enhancement of the electromagnetic field, which, resonantly scattered to the active layer, increases the absorption in the cell. The selection of the material, size and shape of the nanoparticles allows spectral tuning of the absorption in the system. This study aims to improve the efficiency of electrochemical cells with copper oxide electrodes by incorporating silver nanoparticles doped with palladium. The nanoparticles were prepared using physical vapour deposition. The fabricated structures were optically characterised by spectrophotometry and SEM microscopy. The conducted research demonstrates an increase in cell efficiency depending on the shape and size of the applied nanoparticles. The best results were obtained for systems subjected to post-deposition annealing, resulting in improved chemical stability and optical response of nanoparticles.

Słowa kluczowe

PL

plazmonika; ogniwo fotoelektrochemiczne; nanocząstki plazmoniczne

EN

plasmonics; photoelectrochemical cell; plasmonic nanoparticles

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 3
• Strony: 53--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz. il., wykr.

Twórcy

autor

Jakubowska Małgorzata

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, ul. Ludwika Pasteura 5, 02-093 Warszawa

• https://orcid.org/0009-0003-2002-5889

autor

Parzuch Aleksandra

• Uniwersytet Warszawski, Centrum Nowych Technologii, ul. Stefana Banacha 2c, 02-097 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-8958-0539

autor

Bieńkowski Krzysztof

• Uniwersytet Warszawski, Centrum Nowych Technologii, ul. Stefana Banacha 2c, 02-097 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-6077-5607

autor

Solarska Renata

• Uniwersytet Warszawski, Centrum Nowych Technologii, ul. Stefana Banacha 2c, 02-097 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-4811-1143

autor

Wróbel Piotr

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, ul. Ludwika Pasteura 5, 02-093 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-1975-2117

Bibliografia

• [1] Shwetharani R., Chandan H. R., Sakar M., Balakrishna G. R., Reddy K .R., Raghu A. V., Photocatalytic Semiconductor Thin Films for Hydrogen Production and Environmental Applications, International Journal of Hydrogen Energy, 45, 36, 2020, 18289-18308.
• [2] Zhou H., Qu Y., Zeida T., Duan X., Towards Highly Efficient Photocatalysts Using Semiconductor Nanoarchitectures, Energy Environ. Sci., 5, 2012, 6732.
• [3] Ishaq T., Yousaf M., Bhatti I. A., Batool A., Asghar M. A., Mohsin M., Ahma M., A Perspective on Possible Amendments in Semiconductors for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Generation by Water Splitting, International Journal of Hydrogen Energy, 46, 79, 2021, 39036-39057.
• [4] Szaniawska E., Bienkowski K., Rutkowska I. A., Kulesza P. J., Solarska R., Enhanced Photo-electrochemical CO2-reduction System Based on Mixed Cu2O-nonstoichiometric Ti2O Photocathode, Catalysis Today, 300, 2018, 145-151.
• [5] Pan L., Liu Y., Yao L., Ren D., Sivula K., Grätzel M., Hagfeldt A., Cu2 O Photocathodes with Band-tail States Assisted Hole Transport for Standalone Solar Water Splitting, nature communications, 11, 318, 2020.
• [6] Chua K. C., Chao C. Y., Chen Y. F., Electrically Controlled Surface Plasmon Resonance Frequency of Gold Nanorods, Appl. Phys. Lett., 89, 2006, 103107.
• [7] Cheon Woo Moon, Min-Ju Choi, Hyun J. K., Ho Won Jang, Enhancing Photoelectrochemical Water Splitting with Plasmonic Au Nanoparticles, Nanoscale Adv., 3, 2021, 5981.
• [8] Thomann I., Pinaud B. A., Chen Z., Clemens B. M., Jaramillo T. F., Brongersma M. L., Plasmon Enhanced Solar-to-fuel Energy Conversion, Nano Lett., 11, 2011, 3440-3446.
• [9] Valenti M., Dolat D., Biskos G., Schmidt-Ott A., Smith W. A., Enhancement of the Photoelectrochemical Performance of CuWO4 Thin Films for Solar Water Splitting by Plasmonic Nanoparticle Functionalization, J. Phys. Chem. C, 119, 4, 2015, 2096-2104.
• [10] Kunwar S., Sui M., Zhang Q., Pandey P., Li M. Y., Lee J., Various Silver Nanostructures on Sapphire Using Plasmon Self-assembly and Dewetting of Thin Films, Nano-Micro Letters, 9, 17, 2017.
• [11] Kuo Ch. L., Hwang K. Ch., Does Morphology of a Metal Nanoparticle Play a Role in Ostwald Ripening Processes?, Chem. Mater., 25, 3, 2013, 365-371.