Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne na bazie struktur tlenku tytanu i tlenku miedzi

Abstract

Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia badania nad konstrukcją nowych typów cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych na bazie tlenku tytanu i tlenku miedzi. Spójny tematycznie cykl publikacji prezentuje obliczenia uzyskane z wykorzystaniem narzędzi symulacyjnych oraz wyniki eksperymentów prowadzących do wytworzenia tego typu przyrządów. Pierwszym etapem pracy był przegląd i analiza literatury, które pozwoliły na określenie obecnego stanu wiedzy i globalnych osiągnięć. W kolejnym kroku, zaproponowano modele teoretyczne oraz przeprowadzono symulacje komputerowe ogniw TiO2/CuO oraz TiO2/Cu2O przy pomocy programu informatycznego. Sprawność uzyskana w programie dla struktury idealnej wyniosła 22,4% dla TiO2/CuO oraz 13,7% dla TiO2/Cu2O. Następnie w oparciu o przeprowadzone symulacje oraz doniesienia literaturowe, określono parametry technologiczne procesu, które pozwoliły na wytworzenie testowych ogniw, z wykorzystaniem metody reaktywnego stałoprądowego rozpylania magnetronowego, przy pomocy aparatury PVD firmy PREVAC. Jednak pierwsze prototypy nie wykazywały efektu fotowoltaicznego ze względu na niewłaściwe parametry materiałowe warstw. Dlatego kolejnym etapem pracy były szczegółowe badania pojedynczych próbek tlenku tytanu, tlenku miedzi oraz struktur fotowoltaicznych na bazie tych związków. Badania pozwoliły na wyznaczenie parametrów procesowych aparatury, przy których możliwe było otrzymanie funkcjonalnych przyrządów PV. Ogniwo TiO2/CuO wykazało efekt fotowoltaiczny uzyskując maksymalną sprawność konwersji energii na poziomie η = 0,24%.

This doctoral thesis presents research relating to the construction of new types of thin-film photovoltaic cells based on titanium oxide and copper oxide. A thematically coherent series of publications presents calculations obtained using simulation tools and results of practical experiments leading to the production of such devices. The first stage of the work is a review and analysis of the literature, which revealed the current state and global achievements. In the second stage of the work, theoretical models are proposed and computer simulations of TiO2/CuO and TiO2/Cu2O cells are performed using the IT program. The energy conversion efficiency obtained in the program for an ideal structure was 22.4% for TiO2/CuO and 13.7% for TiO2/Cu2O. In the next step, the technologic parameters of the processes determined on the basis of simulations and reports in the literature allowed us to produce titanium oxide and copper oxide PV cells using a reactive direct current magnetron sputtering method with physical vapor deposition equipment from PREVAC. However, the first prototypes exhibited no PV effect due to the inadequate material parameters of the layers. Therefore, in the next stage, detailed studies of single layers of titanium oxide, copper oxide, and PV structures were performed. These tests allowed us to determine the process parameters of the apparatus at which it is possible to obtain a functional PV device. As a result of this work, a TiO2/CuO cell made by direct current magnetron sputtering exhibited a PV effect with the following maximum an energy conversion efficiency of η = 0.24%.