Твердотільний фотогальванічний елемент для перетворення енергії світла в електричну енергію

Изобретение относится к электротехнике и касается твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую. Известны твердотельные фотогальванические элементы для преобразования энергии света в электрическую энергию, представляющие собой сэндвич-структуры, включающие слои монокристаллического неорганического полупроводника A2B6 и электропроводящего органического полимера, к которым подведены металлические контакты [1]. В качестве монокристаллического неорганического полупроводника АзВб в указанных элементах используют ZnS и Cds n-типа. а в качестве электропроводящего органического полимера - полиацетилен. допированный пентафторидом мышьяка или иодом. Омические контакты к полупроводникам (ZnS, (CdS) выплняют с помощью амальгамы Hg-Cd-ln, а к пленке полиацетилена - с помощью точечных контактов из платиновой проволоки. Недостатком известных элементов является их малая эффективность в процессе преобразования световой энергии в электрическую, характеризующаяся КПД, равным 0.003. Наиболее близким по технической сущности и достигаемой цели к изобретению, выбранным в качестве прототипа, является твердотельный фотогальванический элемент на основе сэндвич - структуры n-CdS (электропроводящий полимер) пленка золота. где в качестве электропроводящего полимера используют полипиррол .(ПП) или поливинилферроцен (ПВФ). допированные тетрафторборат - анионами [2]. Указанные элементы готовят путем нанесения пленки подйвунилферроцена из раствора метилен-хлорида или фотоэлектрохимической полимеризацией пиррола на лицевую сторону монокристаллического сульфида кадмия п-типа. Затем на поверхность пленки ПВФ или ПП напыляют термовакуумным методом полупрозрачный слой о золота толщиной 100 А . На тыльную сторону сульфида кадмия наносят омический контакт с помощью га-лийиндиевой эвтектики и всю эту сторону покрывают эпоксидной смолой. Второй контакт готовят на слое золота с использованием серебряной пасты и медной проволоки. Недостатком предложенных в прототипе элементов является их малая эффективность в процессе преобразования световой энергии в электрическую, характеризующаяся КПД, равным 0,14% в случае элемента с поливинилферропеном и 0,18-0,48 % в случае полипиррола, а также ограниченность области их спектральной светочувствительности в видимой области спектра - до 520 нм. В основу изобретения положена задача усовершенствования фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию путем введения в его состав новых компонентов для повышения эффективности в процессе преобразования энергии и расширения области его спектральной светочувствительности в видимой и ближней ИК областях спектра. Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, твердотельный фотогальванический элемент представляет собой сэндвич-структур у, включающую неорганический полупроводник А2В6 n-типа - поликристаллический теллурид кадмия, электропроводящий органический полимер - поли - N-эпоксипропилкарбазол (ПЭПК), допированный пентахлоридом сурьмы, и полупрозрачную пленку золота. Новым является исследование в качестве неорганического полупроводника А2В6 n-типа поликристаллического теллурида кадмия, а в качестве электропроводящего органического полимера - поли - Nэпок-сипропилкарбазояа, дотированного пентахлоридом сурьмы. Предлагаемый твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию имеет КПД порядка 3,2%, а область спектральной светочувствительности элемента лежит в диапазоне 260-1800 нм. Изобретение иллюстрируется чертежами. Фиг. 1 - схематическое изображение твердотельного фотогальванического элемента на основе сэндвичструктуры CdTe (ПЭПК, допированный SbCl5/Au. Фиг. 2 -спектральная зависимость фото-ЭДС этого элемента, фиг. З - спектральная зависимость фототока твердотельного фотогальванического элемента n-CdTe (ПЭПК, допированный SbCl5/Au при облучении светом лампы ДКСШ-1000 через монохроматор ДМР-4 без учета спектрального распределения излучения лампы. Твердотельный фотогальванический элемент состоит из трех последовательных слоев, нанесенных на подложку из молибденовой фольги - 1: поликристаллического теллурида кадмия п-типа - 2, поли - N-эпоксипропилкарбазола, допированного SbCl5, -3 и полупрозрачной пленки золота - 4. К подложке из молибденовой фольги приваривают методом контактной сварки токоотвод из железной проволоки диаметром 1 мм и всю поверхность молибденовой фольги и место контакта покрывают эпоксидной смолой. Второй контакт изготавливают на слое золота с использованием серебряной пасты и медной проволоки. Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами. Пример 1. Твердотельный фотогальванический элемент готовят п утем нанесения слоя поли-Nэпоксипропилкарбазола на поверхность поликристаллического теллурида кадмия п-типа с удельным сопротивлением 2,0 . 1050м см, который получают термической обработкой CdTe, нанесенного на молибденовую фольгу из суспензии ацетона, при 450°С в течение 2-х часов. С этой целью к подложке из молибденовой фольги со слоем теллурида кадмия толщиной 20 мкм и площадью 1 см 2 приваривают методом контактной сварки токоотвод из железной проволоки диаметром 1 мм и всю поверхность молибденовой фольги и место контакта покрывают эпоксидной смолой. Затем приготовленный таким образом электрод погружают в раствор поли-Мэпоксипропил-карбазола в бензоле с концентрацией 5,0 . 10-3 моль/л (0.055 г полимера с молекулярным весом 1100 растворяют в 10 мл бензола квалификации "хч"), выдерживают в растворе 15 сек, вынимают и сушат на воздухе. Процесс допирования пленки поли-N-эпоксипропилкарбазола, нанесенной на поверхность теллурида кадмия, осуществляют путем погружения электрода на 10 сек в раствор пентахлорида сурьмы в ацетонитриле (концентрация SbCl5 равна 5,0 . 10-2 моль/л), затем электрод промывают ацетонитрилом и сушат на воздухе. Эту операцию проводят три раза. В результате долирования полимера пентахлоридом сурьмы бесцветная пленка ПЭПК приобретает зеленую окраску, а в спектре поглощения появляется полоса с максимумом 800 нм, принадлежащая катион-радикальному карбазольному хромофору. Спектр поглощения допирован-ного ПЭПК снимают на спектрофотометре "Specord UV VIS", при этом пленку полимера наносят на кварцевую оптически прозрачную пластину и допируют описанным выше путем. Толщину пленки допированного ПЭПК на теллуриде о кадмия определяют с помощью интерферометра Майкельсона, и она составляет порядка 200 А , а ее удельную электропроводность, равную 6-10-5 см -1, -стандартной методикой с использованием 4- точечного зонда. На поверхность пленки допированного поли-М-эпоксипропилкарба-зола методом термовакуумного напыления о наносят полупрозрачную пленку золота толщиной 100 А и с помощью серебряной пасты подводят вывод из медной проволоки. В результате проведенных операций получают фотогальванический элемент с сэндвичструктурой n-CdTe (ПЭПК, допированный SbCl5) /Au, схематическое изображение которого представлено на фиг. 1. Основные характеристики данного элемента определяют с помощью вольтметра В7-21 и потенциостата ПИ50-1 при облучении светом лампы накаливания КГМ-24 В, 150 Вт через стеклянные светофильтры С3С-24 с интенсивностью падающего света 15 мВт/см. Полученные значения напряжения холостого хода (Uxx), тока короткого замыкания (lкз), фактора заполнения (f) и КПД приведены в таблице 1. а область спектральной чувствительности элемента - на фиг. 2 и 3. Пример 2. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что в качестве полимерного слоя используют недопи-рованный поли-N-эпоксипропилкарбазол, т. е. исключают стадию допирования полимера SbCl5. Полученные значения Uxx и 1кз приведены в таблице 1. Пример 3. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что в качестве органического карбазолсодержащего полимера используют поливинилкарбазол (ПВК) с молекулярным весом 1000, характеризующийся после допирования SbCI5 удельной электропроводностью 5 . 10-6 Ом-1 . см. Полученные значения Uxx и lкз приведены в таблице 1. Как следует из данных таблицы 1 и фиг. 2 и 3, твердотельный фотогальванический элемент на основе сэндвич-структуры СdТе /ПЭПК (допированный SbCl5) /Au обладает коэффициентом полезного действия, равным 3,2%, и областью спектральной светочувствительности в УФ. видимой и ближней ИК областях спектра. Причем, область максимальной светочувствительности элемента находится в диапазоне 540-820 нм, а в ближней ИКобласти элемент характеризуется максимальной спектральной светочувстви тельностью при 1250 нм и 1630 нм (фиг. 2). Следуе т также отметить, что элементы CdTe/ПЭПК (не допированный)/Аи и СоТе /ПВК (допированный SbCl5) /Au имеют значительно меньшие величины фототока и, соответственно, эффективности преобразования энергии света в электрическую, чем заявляемый элемент. Примеры 4-7. Твердотельные фотогальванические элементы готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что варьируют концентрацию поли-М-эпоксипропилкарба-эола в бензоле (5,0 . 10-2; 1,0 . 10-2; 8,0 . 10-3; 1,0 . 10-3 моль/л), из которого наносят пленку полимера на поверхность теллурида кадмия. Толщина допироваиного ПЭПК на теллуриде кадмия составляет 1500, 600, 400 о А. Полученные значения Uxx. и 1кз для элементов, приготовленных в примерах 4-7, а также в примере 1, приведены в таблице 2. Как следует из табл. 2, необходимой и достаточной толщиной пленки электропроводящего органического полимера - допированного поли-N-эпоксипропилкарбазола в твердотельном фотогальваническом элементе на основе структуры теллурид кадмия /электропроводящий полимер/ золото для достижения положительного о эффекта является величина 200-600 А . В таблице 3 дано сопоставление основных характеристик предлагаемого твердотельного фотогальванического элемента и элемента по прототипу. Таким образом, на данных таблицы 3 следует, что предлагаемый твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию характеризуется существенно большим КПД и обладает более расширенной областью спектральной светочувстви тельности, чем элементы по прототипу, и его коэффициент полезного действия достигает величины порядка 3,2%. а область спектральной светочувствительности элемента лежит в диапазоне 260-1800 нм.