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 анергию. Известны твердотельные фотогальванические элементы для преобразования энергии света в электрическую энергию,. предоставляющие собой сэндвич-структуры, включающие слои монокристаллического неорганического полупроводника и электропроводящего органического полимера, к которым подведены металлические контакты [1]. В качестве монокристаллического неорганического полупроводника в указанных элементах используют кремний n- или p-типа, а в качестве электропроводящего органического полимера - полиацетилен, допированный пентафторидом мышьяка, иодом или калием. Недостатком известных элементов является их очень малая эффективность в процессе преобразования световой энергии в электрическую, характеризующаяся КПД менее 10%, и низкая стабильность используемых в них электропроводящих органических полимеров на воздухе. Известен твердотельный фотогальванический элемент, выбранный в качестве прототипа на основе сэндвичструктуры - (электропроводящий полимер) - пленка золота, где в качестве электропроводящего полимера используют полиацетилен, допированный иодом. Недостатком предложенного элемента является его малая эффективность в процессе преобразования световой энергии в электрическую энергию, характеризующаяся КПД равным 3.10-4% и ухудшение его параметров в процессе хранения. Задачей данного изобретения является усовершенствование элемента путем введения нового электропроводящего полимера, повышающее его эффективность в процессе преобразования энергии света в электрическую энергию и стабильность в процессе хранения и эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, твердотельный фотогальванический элемент представляет собой сэндвич-структур у, включающую монокристаллический полупроводник -кремний с n-типа проводимостью, электропроводящий органический полимер - поли-N-эпоксипропилкарбазол (ПЭПК), допированный пентахлоридом сурьмы с толщиной слоя 200-600А и полупрозрачную пленку золота. Новым является- использование в качестве электропроводящего органического полимера - поли-Nэпоксипропилкарбазола, допированного пентахлоридом сурьмы. Схематическое изображение заявляемого фотогальванического элемента представлено на чертеже, где 1 монокристалл кремния с п-типа проводимостью; 2 - галлий-индиевая эвтектика; 3 - вывод из медной проволоки; 4 - поли-N-эпоксипропилкарбазол, допированный пентахлоридом сурьмы; 5 -тонкий слой золота; V - вольтметр. Сущность изобретения поясняется следующими примерами. Пример 1. Твердотельный фотогальванический элемент готовят п утем нанесения слоя поли-Nэпоксипропилкарбазола на поверхность монокристаллического кремния п-типа с ориентацией (III) и удельным сопротивлением 4 Ом . см. С этой целью на тыльную сторону кристалла n-Si, площадью 1 см 2, наносят омический контакт с использованием индий-галлиевой эвтектики, который снабжают выводом из медной проволоки и всю эту сторону кристалла покрывают эпоксидной смолой. Лицевую свободную грань кремния травят трижды, в 48%-ном водном растворе НГ в течение 20 сек, промывают дистиллированной водой и суша т на воздухе. Затем, приготовленный таким образом электрод, погружают в раствор поли-Nэпоксипропилкарбазола 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, нанесенный на кремний, осуществляют путем погружения электрода на 10 сек в раствор пентахлорида сурьмы в ацетонитриле (концентрация SbCI5 равна 5,6 . 10-2 моль/л), затем электрод промывают ацетонитрилом и сушат на воздухе. Эту операцию проводят три раза. В результате допирования полимера пентахлоридом сурьмы бесцветная пленка ПЭПК приобретает зеленую окраску, а в спектре поглощения появляется полоса с максимумом 800 нм, принадлежащая катионрадикальному карбазольному хромофору. Спектр поглощения дэпированного ПЭПК снимают на спектрофотометре "Specord UV VIS", при этом пленку полимера наносят на кварцевую оптически прозрачную пластину и допируют описанным выше путем. Толщина пленки допированного ПЭПК на поверхности кремния o составляет порядка 200 A , а ее удельная электропроводность равняется 6 . 10-5 Ом -1 . см-1, которую определяю! по стандартной методике с использованием четырехточечного зонда. На поверхность пленки допированного полиэпоксипропилкарбазола методом термовакуумного напыления наносят полупрозрачную пленку золота o толщиной 100 A и с помощью серебряной пасты подводят вывод из медной проволоки. В результате проведенных операций получают фотогальванический элемент с сэндвич-структурой n-Si/ПЭПК (допированный SbCl5)/Au, схематическое изображение которого представлено на чертеже. Основные характеристики данного элемента определяют с помощью вольтметра В7-21 и потенциостата ПИ-50-1 при облучении светом лампы накаливания КГМ-24В, 150 Вт через стеклянные светофильтры СЗС-24 с интенсивностью падающего света 21,2 мВт/см 2, Полученные значения напряжения холостого хоца (Uxx), тока короткого замыкания (Iкз), фактора заполнения (f) и КПД приведены в табл.1. Пример 2. Фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что в качестве полимерного слоя используют недопированный поли-N-эпоксипрэпилкарбазол, т.е. исключают стадию допирования полимера SbCl5. Полученные значения Uxx и Iкз приведены в табл.1. Пример 3. Твердотельный фотогальванический элемент, приготовленный по примеру 1, хранят в течение 12 месяцев на воздухе и затем измеряют его характеристику (Uxx и Iкз) при облучении светом лампы накачивания КГМ-24В, 150 Вт через стеклянные светофильтры СЗС-24 с интенсивностью падающего света 21,2 мВт/см 2. Полученные результаты приведены в табл.1. Пример 4. Твердотельный фотогальванический элемент, приготовленный по примеру 1, облучают как в примере 3 в течение 98 ч и затем измеряют его характеристики (Uxx и Iкз), которые приведены в табл.1. Пример 5. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что в качестве органического карбазолсодержащего полимера используют поли-N-винилкарбазол (ПВК) с молекулярным весом 1000, характеризующегося после допирования SbCI5 удельной электропроводностью 5 . 106 Ом -1 . см -1. Полученные значения Uxx и Iкз приведены в табл.1. Примеры 6-9. Твердотельные фотогальванические элементы готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что варьируют концентрацию поли-N-эпоксипропилкарбазола 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 кремния. Толщина пленок допированного ПЭПК на o кремнии составляет 1500, 600, 400 A . Полученные значения Uxx и Iкз для элементов, приготовленных в примерах 6-9, а также в примере 1, приведены в табл.2. В табл.3 представлены основные характеристики предлагаемого твердотельного фотогальванического элемента и элемента по прототипу.