Фотоэлектрохимические солнечные ячейки на основе полупроводниковых соединений висмута : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Е. А. Стрельцов

Abstract

Объектом исследования являлись пленочные фотоэлектроды на основе полупроводниковых соединений висмута (ВiOI, BiVO4), а также протекающие на их поверхности фотоэлектрохимические процессы в водных растворах, содержащих обратимые и необратимые окислительно-восстановительные системы. Целью работы является формирование и синтез пленочных нано- и гетероструктур на основе полупроводниковых соединений висмута (BiOI, BiVO4), обладающих высокой квантовой эффективностью фотоэлектрохимических процессов, для последующего использования данных систем в фотоэлектрохимических преобразователях солнечной энергии. В результате проделанной работы показано, что для наноструктурированных BiOI и BiVO4 характерен эффект инверсии знака фототока в растворах, содержащих различные редокс-системы: I3–/I, хинон/гидрохинон, [Fe(CN)6]3–/[Fe(CN)6]4–. Поскольку частицы полупроводников обладают небольшими линейными размерами (единицы-десятки нанометров) эффективное разделение фотозарядов в пленках происходит не за счет формирования области пространственного заряда (размерного эффекта по длине экранирования электростатического поля), а на гетерогранице полупроводник/раствор. Потенциал смены знака фототока определяется токами обмена протекающих анодных и катодных процессов (как темновых, так и фотоиндуцированных). Термообработка BiOI в атмосфере кислорода приводит к росту как анодного, так и катодного фототока, в то время как прогрев в H2 и Ar повышает относительный вклад анодного фототока. Изменение знака фототока в зависимости от длины волны света в потенциостатических условиях свидетельствует в пользу того, что в BiOI слоях основной скачок электродного потенциала локализован близи проводящей положки, в то время как основная часть пластинчатых кристаллитов BiOI не подвергается электрохимической поляризации. Разработан метод формирования тонких фотоэлектрохимически активных мезопористых пленок BiVO4 c использованием коллоидных растворов. Величины фототоков возрастают с ростом реальной поверхности электрода, что достигается путем введения в коллоидный раствор полимерной добавки с последующей термообработкой пленок на воздухе. Методом спектроскопии фототока определена ширина запрещенной зоны моноклинной полиморфной модификации BiVO4. Тонкопленочные наноструктурированные фотоэлектроды на основе полупроводниковых соединений висмута (BiOI и BiVO4) могут быть использованы в солнечных элементах регенеративного типа, фотоэлектролизерах (фоторазложение воды), а также в качестве основы экономичных и экологически безопасных фотокатализаторов.