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: 445,715.00 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:
- Georgiana BULAI , CS III, ICI-DSESN
- Vasile TIRON, CS II, ICI-DSESN
- Felicia GHEORGHIU, CS III, ICI-DSESN
- Adrian BORHAN, Asistent universitar, Facultatea de Chimie
- Francisca HUSANU, Doctorand, Facultatea de Fizica
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:
Rare earth effect on laser produced plasma dynamics during pulsed laser deposition of doped cobalt ferrite, Stefan Andrei Irimiciuc, Georgiana Bulai, Silviu Gurlui, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, Volum 198, 2022, 106565.
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.
Articol publicat în revistă cotată Web of Science:
- Tiron, V., Jijie, R., Matei, T., Velicu, I.-L., Gurlui, S., Bulai, G., Piezo-enhanced photocatalytic performance of bismuth ferrite-based thin film for organic pollutants degradation (2023) Coatings, 13 (8), art. no. 1416.
- Tiron, V., Jijie, R., Dumitru, I., Cimpoesu, N., Burducea, I., Iancu, D., Borhan, A., Gurlui, S., Bulai, G., Piezo-ferroelectric response of bismuth ferrite based thin films and their related photo/piezocatalytic performance (2023) Ceramics International, 49 (12), pp. 20304-20314.
Propunere de brevet:
Tiron, V., Bulai, G., Procedeu de obținere de straturi subtiri pe baza de ferita de bismut cu adaos de crom pentru dispozitive de conversie a energiei solare, submis OSIM.