CERNESIM » Nanostructuri de tip perovskit dublu pentru dispozitive de conversie a energiei solare

Nanostructuri de tip perovskit dublu pentru dispozitive de conversie a energiei solare

Finanțare prin: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării, Programul 1 – Dezvoltarea sistemului național de cercetare-dezvoltare, Tip proiect: Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente

Contract nr. TE 11/ 05.05.2020
COD: PN-III-P1-1.1-TE-2021-0265

Perioada de implementare: 15.05.2022 – 14.05.2024
Valoare contract: 445715 lei
Director proiect: Andreea Georgiana BULAI

 

Obiectivul general al proiectului

Obiectivul principal al proiectului NanoSEC este de a obtine noi dispozitive cu eficienta ridicata de conversie a energiei solare, competitive cu componentele fotonice comercializate, aducand astfel o contributie importanta in rezolvarea problemelor de mediu legate de folosirea combustibililor fosili.

 

Abstract

Conversia energiei solare în electricitate este scopul principal al ceretarilor din domeniul energiei regenerabile datorită cererii tot mai mari la nivel global pentru energie și efectul negativ al gazelor de seră. Capacitatea actuală a dispozitivelor fotovoltaice este încă limitată. Datorită accesului intermitent la radiația solară, un mecanism separat de stocare a energiei, eficient și infensiv mediului este necesar pentru ca energia solară să înlocuiască cea a carburanților. Dezvoltarea de celule fotoelectrochimice este o posibilă alternativă. Proiectul prezent se adresează necesității de a produce și stoca energie regenerabilă prin dezvoltarea de noi sisteme nanostructurate bazate pe materiale ferroelectrice oxidice de perovskit dublu pentru care rezultatele raportate recent au arătat caracteristici promițătoare. Materiale de înaltă calitate care să absoarbă o mare parte din spectrul solar și care prezintă proprietăți structurale, optice și ferroelectrice benefice pentru conversia eficienta a energiei solare în electricitate se vor obține folosind ablația laser și pulverizare magnetron cu impulsuri de mare putere. Vor fi considerate diferite sisteme nanostructurate și configurații multi-strat. Realizarea obiectivului general al acestui proiect va aduce o contribuție semnificativă la sustenabilitatea și comercializarea dispozitivelor fotonice ca surse de energie regenerabilă.

 

 Echipa proiectului:

  1. Georgiana BULAI , CS III, ICI-DSESN
  2. Vasile TIRON, CS II, ICI-DSESN
  3. Felicia GHEORGHIU, CS III, ICI-DSESN
  4. Adrian BORHAN, Asistent universitar, Facultatea de Chimie
  5. Francisca HUSANU, Doctorand, Facultatea de Fizica

 

Impactul științific asumat și obținut a fost bazat pe sinteza de materiale sub formă de strat subțire cu proprietăți structurale, optice și piezo/ferroelectrice optimizate pentru folosirea acestora în dispozitive de conversie a energiei solare cu eficacitate ridicată. Acest lucru a fost realizat prin folosirea a două metode de depunere de straturi subțiri: depunerea prin ablație laser și pulverizare magnetron (în special cea de pulverizarea magnetron cu impulsuri electrice de mare putere). Metodele de analiză utilizate au permis evidențierea modului în care proprietățile structurale, chimice, optice și electrice ale eșantioanelor au fost influențate de parametrii experimentali variați. Astfel am putut identifica condițiile de depunere optime (legate de temperatura și natura substratului folosit, presiune si compoziția gazului mixt introdus în incintă, caracteristicile pulsului de descărcare magnetron) pentru a obține un strat subțire cristalin cu banda interzisa mică și răspuns feroelectric ridicat. Aplicabilitatea eșantioanelor astfel obținute în dispozitive de conversie a energiei solare a fost evaluată prin analiza caracteristicii curent-tensiune si prin monitorizarea degradării diferiților coloranți prin procese foto-, piezo- și foto-piezocatalitice. 

Impact major consta în dezvoltarea unui procedeu de obținere de straturi subțiri de perovskit pe bază de ferită de bismut cu adaos de crom, cu compoziție chimică și structură controlate prin ajustarea configurației de pulsuri a unui proces de pulverizare magnetron cu impulsuri bipolare de mare putere cu scopul de a fi folosite în realizarea de dispozitive de conversie a energiei solare și mecanice. Acest procedeu a fost descris în propunerea de brevet national nr. A 2023/00781/04.11.2023 submis către OSIM. Metoda implică depunerea de straturi subțiri pe substrat de sticlă acoperit de un strat conductor de oxid de staniu dopat cu fluor, folosind ca material sursă un aliaj de Bi2FeCr, iar ca gaz de lucru un amestec de argon și oxigen. Procedeul constă în accelerarea diferențiată a speciilor ionice prezente în plasma de descărcare și astfel modificarea cantităților de bismut, fier și crom din stratul subțire depus prin ajustarea amplitudinii, duratei și a timpului de întârziere a pulsului de  tensiune pozitivă. Accelerarea selectivă poate fi realizată inclusiv pentru straturi subțiri de materiale dielectrice depuse pe substraturi izolatoare, izolate electric sau împământate. Odată cu schimbarea compoziției chimice, atât proprietățile structurale cât și cele feroelectrice sunt modificate.

În cadrul proiectului a fost evaluată performanța straturilor subțiri pe bază de ferită de bismut cu adaus de Cr în procesul de divizare fotocatalitică a apei pentru producerea eficientă de oxigen. Această abordare este crucială în dezvoltarea tehnologiilor durabile pentru producerea de combustibili verzi, precum generarea de oxigen, având implicații semnificative în domeniul energiei și al sustenabilității. 

Impactul științific poate fi cuantificat prin publicarea a trei articole și submiterea unui articol în reviste cotate Web of Science cu factor de impact ridicat (zonele Q1 si Q2) și prin prezentarea rezultatelor obținute la 5 conferințe internaționale.

 

 

 

ETAPA I

Rezumat executiv al activităților realizate:

În perioada de implementare a etapei I au fost depuse straturi subțiri de ferita de Bi (BFO) și ferită de Bi dopată cu Cr (BFCO) prin pulberizare magnetron și ablație laser. Eșantioanele au fost obținute în diferite condiții experimentale folosind același material sursă. Parametrii de depunere variați au fost temperatura substratului, presiunea de oxigen sau de gaz mixt introdus în incintă în timpul depunerii și raportul Ar:O2 al gazului folosit. Au fost folosite substraturi de siliciu monocristalin cu orientare cristalografică (100), cuarț și MgO.

Topografia și proprietățile structurale ale straturilor depuse au fost analizate prin profilometrie, microscopie de forță atomică și difracție de raze X. Spectrele de transmisie au fost studiate prin spectroscopie UV-VIS iar lărgimile benzilor interzise au fost estimate din reprezentările Tauc. Rezultatele de spectroscopie de retro-împrăștiere Rutherford și spectroscopie de radiații X dispersivă în energie au oferit informații cu privire la compoziția chimică a eșantioanelor și au arătat o distribuție uniformă a principalelor elemente pe suprafață. Proprietățile magnetice au fost analizate folosind magnetometrul cu probă vibrantă. Ciclurile de histerezis au fost înregistrate la temperatura camerei iar contribuția substratului a fost eliminată. Au fost obținute rezultate preliminare legate proprietățile fotocatalitice de deteriorare a colorantului de albastru de metil.

Diseminarea rezultatelor

Participare la conferință:

Oxide nanostructures for solar energy conversion devices, Vasile TIRON, Mihai CIOLAN, Ioana RADU, Adrian BORHAN, Felicia GHEORGHIU, Georgiana BULAI, 3NANO-22, 20-23 septembrie, Roma, Italia.

Articol publicat în revistă cotată Web of Science:

 

 

ETAPA II

Rezumat executiv al activităților realizate:

În perioada de implementare a etapei II au fost analizate straturile subțiri de ferită de Bi (BFO) și ferită de Bi dopată cu Cr (BFCO) obținute în etapa precedentă prin pulberizare magnetron și ablație laser. In același timp au fost depuse eșantioane noi folosind tehnica HiPIMS și variind raportul Ar:O2 al gazului mixt și presiunea gazului introdus în timpul depunerii. Metodele de analiză utilizate au permis evidențierea modului în care proprietățile structurale, chimice, optice și electrice ale eșantioanelor au fost influențate de parametrii experimentali variați. Astfel am putut identifica condițiile de depunere optime pentru a obține un strat subțire cristalin cu banda interzisa mică și răspuns feroelectric ridicat și pentru a putea continua cu pasul următor al etapei II în care materialul activ a fost încadrat într-o structură tip multistrat ce corespunde unui sistem de conversie a energiei solare. În cadrul acestei activități au fost depuse straturi subțiri de BFCO pe substraturi de sticlă acoperită cu oxid de staniu dopat cu fluor (FTO) si indiu (ITO). Straturile de ITO si FTO au acționat ca electrod transparent în configurația tip multistrat a dispozitivului de conversie a energiei solare. După analiza structurala, chimică si electrică a acestor eșantioane, pe suprafața acestora au fost depuși electrozi superiori de cupru si aur. Caracteristica curent-tensiune a fost studiata folosind simulatorul solar Newport achiziționat în cadrul proiectului în această etapă și o sursa Keithley. Au fost analizate și proprietățile fotocatalitice și piezofotocatalice de degradare a colorantului de albastru de metil.

Diseminarea rezultatelor

Participare la conferință:

V. Tiron, R. Jijie, A. Borhan, I. Dumitru, T. Matei, S. Gurlui, N. Cimpoesu, G. Bulai, Effect of RF Magnetron growth conditions on bismuth ferrite based thin film, International Conference on Materials Science & Nanotechnology, 23-25 octombrie 2023, Valencia, Spania.

V. Tiron, R. Jijie, I. Dumitru, S. Gurlui, T. Matei, N. Cimpoesu, G. Bulai, HiPIMS deposition of bismuth ferrite based thin films for solar energy conversion, International Conference on Plasma Physics and Applications, 14 – 16 iunie 2023, Iași, Romania.

T. Matei, V. Tiron, R. Jijie, G. Bulai, I.-L. Velicu Piezo-enhanced photocatalytic activity of bismuth ferrite thin films deposited by reactive HiPIMS, International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, 11-14 iulie 2023 Constanta, Romania.

 

 

ETAPA III

Rezumat executiv al activităților realizate:

În perioada de implementare a etapei III au fost depuse și analizate structuri de tip multistrat pe bază de ferită de bismut dopat cu Cr (BFCO), oxid de zinc (ZnO) si oxid de nichel (NiO) folosind tehnica HiPIMS pe substrat de sticlă acoperit cu oxid de staniu dopat cu fluor (FTO).  Scopul acestor experimente a fost de a analiza influența traturilor subțiri adiționale asupra proprietăților structurale, optice, piezo/ferroelectrice ale întregului sistem și de a studia eficacitatea structuri multistrat în dispozitive de conversie a energiei solare. A doua activitate de cercetare s-a concentrat în principal, pe evaluarea performanței straturilor subțiri pe bază de BFCO în procesul de divizare fotocatalitică a apei pentru producerea eficientă de oxigen. Această abordare este crucială în dezvoltarea tehnologiilor durabile pentru producerea de combustibili verzi, precum generarea de oxigen, având implicații semnificative în domeniul energiei și al sustenabilității. Prin studiile experimentale desfășurate în cadrul acestei activități, ne-am propus să obținem o înțelegere mai profundă a eficienței și fiabilității fotocatalizatorilor pe bază de BFCO în procesul de fotodivizare a apei în generarea de O2. Datele demonstrează clar o corelație puternică cu rezultatele evoluției oxigenului. In timp ce proba cu structura cristalină tip perovskit prezintă o rată de oxidare a apei de 10545.4 μmolL-1g-1h-1 , proba cu adaus de oxid de Bi prezintă o rată remarcabilă de oxidare a apei de 12230.8 μmolL-1g-1h-1, reflectând o îmbunătățire semnificativă față de materialul „pur”. Această tendință evidentă redă impactul semnificativ al coexistentei excesului de oxid de bismut asupra performanței fotocatalitice nu numai în contextul evoluției oxigenului, ci și în procesul vital de oxidare a apei.

Diseminarea rezultatelor

Participare la conferință:

Vasile Tiron, Roxana Jijie, Teodora Matei, Silviu Gurlui, Nicanor Cimpoesu, Georgiana Bulai, Chemical composition control and piezophotocatalytic activity of bismuth ferrite based thin films, World Virtual Summit on Catalysis & Chemical Engineering, 25-26 martie 2024, On-line.

Articol submis catre o revistă cotată Web of Science:

Vasile Tiron, Roxana Jijie, Teodora Matei, Nicanor Cimpoesu, Georgiana Bulai, Tuning chemical composition and structural properties of bismuth ferrite based thin films by reactive bipolar HiPIMS, submis catre Ceramics International (CERI-D-24-03064).

 

RAPORT ȘTIINȚIFIC FINAL