MИНИ ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ НАНОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ Таяр Джумшуд оглы ДЖАФАРОВ Институт Физики Национальная Академия Наук Азербайджана В настоящее время потребность в чистых и возобновляемых источниках энергии для быстро растущей портативной электроники (мобильные электронные приборы, телекоммуникация, военное оборудование и др.) привлекает внимание многих исследовательских центров. Прямой метанольный топливный элемент (DFMC-direct methanol fuel cell), основанный на протонопроводящей полимерной мембране (PEM- proton exchange membrane), рассматривается как перспективный тип топливного элемента малой мощности. Однако, метанол горючий и токсичен, и использование метанола в топливных элементах сопровождается загрязнением атмосферы диоксидом углерода (CO2). Кроме того, полимерная мембрана не интегрируется в микроэлектронную технологию. В этой связи необходимо развивать твердотельную мембрану с протонной проводимостью, сравнимую с проводимостью полимерной мембраны (Nafion ®) и технологией топливного элемента, совместимого со стандартной технологией микроэлектроники. Нано (микро)-пористый кремний с "губчатой" структурой и очень большим соотношением площади поверхности пор к объему образца (около 103 м2/см3) очень подходит для изготовления водородных элементов и газовых сенсоров. Здесь рассмотрен новый тип водородного топливного элемента малой мощности, основанный на {метал/пористый кремний} структуре, работающего при комнатной температуре и использующего водорoдсодержащие газы или жидкости. Такая структура может быть использована также в качестве сенсора различных водород-содержащих газов, работающего без внешнего источника энергии. Предварительно приведен краткий обзор данных по изготовлению, структуре и свойствам пористого кремния. 1. Properties of Porous Silicon Fig. 1. World market of different semiconductor materials (2007). Fig. 2. Photoluminescence spectra of the monocrystalline Si and porous silicon film-PS (300K). [T.D. Dzhafarov, B. Can, J. Material Science Letters 19 (2000) 287] Formation of the porous silicon Electrochemical etching of Si in HF:ethanol or HF:H2O solution results in the formation of nano(micro)-crystalline Si (Fig. 3). Fig. 3. Cross-sectional view of lateral anodization cell. Fig. 4. Scanning electron microscopy of porous silicon layer (a is top and b is the cross-section). [T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus, Japan J. Appl. Phys. 47 (2008) 8204] Fig. 5. FTIR spectrum of porous silicon film (300 K). [T.D. Dzhafarov, B. Can, J. Material Science Letters 19 (2006) 287] 2 Eg (eV) 1.8 1.6 1.4 1.2 20 40 60 80 100 Gözeneklilik Porosity (%) Fig. 6. Energy band gap in depending on porosity of PS film (40% RH, 300 K). [T.D. Dzhafarov, S. Aydin, C. Oruc Lus, Fizika (2007) 17] These features of porous silicon (a quantum system, a sponge structure and an extremely large pore surfaces) ensure many possible applications, such as light emitting diode, hydrogen fuel cell, sensor and other applications. 2. Porous Silicon based Hydrogen Fuel Cells Fig. 7. Proton Exchange Membrane (PEM- type hydrogen fuel cell) (b) Metal/Porous Silicon/Siliconbased Hydrogen Fuel Cells Cell fabrication Fig. 8. Schematic sketch of Metal/PS/Si structure. Fig. 9. Reverse I-V characteristics of Au/PS/Si structure in humid ambient: (1) 45, (2) 70, (3) 83, (4) 90 and (99) %RH. [T.D. Dzhafarov, C. Oruc, S. Aydin, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 404] The humidity (Hydrogen)-voltaic effect i.e. generation of a voltage between two contacts to Au film and PS layer (or Si) under humidity (hydrogencontaining gas) exposition is observed for Au/PS structures. 500 I 400 V0C (mV) I I 300 II 200 I 100 0 I 50 I I I I 60 70 80 90 100 Relative Humidity (%) Fig. 10. The open-circuit voltage – RH dependence for Au/PS/Si structure (300 K). [T. D. Dzhafarov, B. Can Omur, Z. A. Allahverdiev, Surface Science, 482-485 (2001) 1141] Voc(mV) 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 H2 S Concentration (ppm) Fig. 11. Voltage generated by Au/PS/Si cell as a function of the H2S gas concentration. [T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus, Japan J. Appl. Phys. 47(2008) 8204] Voc(mV) 400 air H2S H 2S air air H2S air H2S 350 300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 t (min) Fig. 12. Voltage response of the Au/PS/Si sensor exposed to H2S gas (45 ppm). [T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus, Japan J. Appl. Phys. 47(2008) 8204] 600 V (mV) 400 200 0 0 20 40 N (mg/ml) 60 80 Fig. 13. The voltage generation in Au/PS/Si cell as a function of NaBH4 contains in NaBH4:H2O. [T.D. Dzhafarov, C. Oruc Lus, S. Aydin, Ninth Grove Fuel Cell Symposium, 4-6 October 2005, London, UK] Fig. 14. The voltage generation in Au/PS/Si cell as a function of H2S concentration in distilled water. [T.D. Dzhafarov, S. Aydin, EMRS 2008 Spring Meeting, Symposium K- Advanced Silicon Materials Research for Electronic and Photovoltaic Applications, May 26-28, 2008, Strasbourg, France] Fig. 15. (1) The power density-current density characteristics of Au/PS/Si cell in H2S+ H2O solution of (1)12 mM, (2) 23 mM, (3) 50 mM and (4) 80 mM (300K). [T.D.Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, J. Nanoscience and Nanotechnology, (2010), accepted]