Твердотілий гетерогенний сонячний елемент

УКРАЇНА (19) UA (11) 40076 (13) U (51) МПК (2009) H01L 31/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ТВЕРДОТІЛИЙ ГЕТЕРОГЕННИЙ СОНЯЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ 1 2 (13) 40076 (11) продуктивна, а собівартість висока через використання молекулярно-променевої епітаксії. Найбільш близьким по сукупності ознак до заявляемого є гетерогенний фотоелемент з високим розрахунковим к.к.д. - теоретично до 60-70%, який складається з розташованого на металевій пластині шару напівпровідникового полімеру n-типу провідності, що містить наночастинки срібла та напівпровідникові нанокристали арсеніда галію (GaAs) р-типу, прозорий провідниковий шар і електроконтактну сітку [Патент РФ №2217845 С1, кл. H01L31/04, 04.09.2002]. Однак його собівартість має бути високою за рахунок складності технологій вирощування подібних нанокристалів. В основу корисної моделі поставлено завдання створення твердотілого гетерогенного сонячного елемента, в якому за рахунок зміни морфології напівпровідникових нанокристалів забезпечується підвищення коефіцієнту корисної дії фотоелектричного перетворювання, а за рахунок спрощення й підвищення продуктивності технології виготовлення нанокристалів і шару органічного напівпровідникового матеріалу покращуються його економічні характеристики. Для вирішення поставленого завдання в твердотільному гетерогенному сонячному елементі, що складається з пластини неорганічного напівпровідника, на тильній стороні якої виконано металевий контакт з міді, на другій стороні - активний шар фталоціаніну міді з прозорим верхнім елект UA Корисна модель відноситься до напівпровідникової електроніки, зокрема, до джерел електричної енергії. Відомий твердотілий фотогальванічний елемент [Патент РФ №2071148 С1, кл. H01L31/18, 27.12.1998], що складається з пластини неорганічного напівпровідника арсеніду галію (GaAs) n-типу провідності, на тильну сторону якої нанесений омічний електрод з міді, а на протилежну поверхню - шар органічного напівпровідника фталоцианіну міді р-типу провідності, поверх якого напилений напівпрозорий електрод зі срібла. Однак, такий фотогальванічний елемент має невеликий коефіцієнт корисної дії (к.к.д.=4%), ідо значно нижче за к.к.д. сонячного елемента на основі монокристалічного кремнію (14%), а також високу собівартість. Відомий фотоелемент, що перетворює електромагнітне випромінювання в електричну енергію, який складається з нанесеного за методом молекулярно-променевої епітаксії на металеву пластину шару напівпровідників n- і р-типу провідності з р-n-переходом між ними, що містять наночастинки срібла, які наносять шляхом розпилення пару срібла крізь ядерний фільтр з порами діаметром менш 30нм і щільністю пор 108 1/см2, розміри яких набагато менші за довжину хвилі електромагнітного випромінювання, та прозорий провідниковий шар [Патент РФ № 2222846 С1, кл. H01L31/04, H01L31/042, 08.08.2002]. Однак, технологія виготовлення такого фотоелемента складна і низько U ний шар фталоціаніну міді з прозорим верхнім електродом, який відрізняється тим, що як неорганічний напівпровідник використано напівпровідниковий арсенід галію (GaAs) з пористою наноструктурою контактного шару, як верхній електрод прозора плівка з оксиду цинку, легованого алюмінієм з концентрацією 0,95* 10-20-1*10-20см2. 2. Твердотілий гетерогенний сонячний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що пластина пористого шару арсеніду галію виготовлена шляхом електрохімічного травлення верхньої поверхні монокристалічної пластини арсеніду галію n-типу провідності і має структуру зі стовпчастих нанокристалів з поперечними нанорозмірами. (19) (21) u200812083 (22) 13.10.2008 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) ШВЕЦЬ ЄВГЕН ЯКОВИЧ, UA, ТУРБА МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ГОЛОВКО ОЛЬГА ПЕТРІВНА, UA, ЗУБКО ЄВГЕНІЯ ІВАНІВНА, UA, МИХАЙЛІН ВАДИМ МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ, UA (57) 1 Твердотілий гетерогенний сонячний елемент, що складається з пластини неорганічного напівпровідника, на тильній стороні якої виконано металевий контакт з міді, на другій стороні - актив 3 40076 4 родом, згідно з корисною моделлю як неорганічний n-типу провідності з кристалографічною орієнтацінапівпровідник використано напівпровідниковий єю (100) в електроліті складу арсенід галію (GaAs) з пористою наноструктурою HF:H2O:HNO3=39:59:2. контактного шару, як верхній електрод - прозора Виготовлений в такий спосіб пористий шар арплівка з оксиду цинку, легованого алюмінієм з консеніду галію n-типу складається зі стовпчастих нанокристалів з поперечними нанорозмірами. центрацією 0,95×10-20-1×10-20см3. Пластина порисПоверх створених нанокристалів GaAs за метого шару арсеніду галію може бути виготовлена тодом вакуумного напилення при температурі шляхом електрохімічного травлення верхньої поверхні монокристалічної пластини арсеніду галію 50°С наноситься плівка фталоцианіну міді, а потім n-типу провідності мати структуру зі стопчастих за методом вакуумного напилення наноситься нанокристалів з поперечними нанорозмірами. плівка міді, що слугує тильним електродом сонячРівень легування обумовлений тим, що легуного елемента. На верхню поверхню монокристалічної пласвання з концентрацією вище 1×10-20см-3 неможливе тини арсеніду галію за методом магнітронного через межу розчинності алюмінію в оксиді цинку в розпилення мішені з окису цинку ZnO, легованого твердому стані, а концентрація нижче 0,95×10-20см3 Аl, в середовищі аргону наноситься плівка nне забезпечує достатньо високої провідності. ZnO:Al. Прозорість верхнього електрода з n-ZnO:Al Пластина арсеніду галію (GaAs) має пористу становить 75-80% і забезпечує надходження висонаноструктуру активного шару, що в контакті з кої частки падаючого сонячного випромінювання, фталоціаніном міді створює особливі ефективні що поглинається напівпровідниковою структурою і характеристики р-n-переходу. Гегероконтакт фтаперетворюється в електрорушійну силу. лоцианіну міді з кристалічним неорганічним напівВикористання замість окремо вирощених напровідником відноситься до фоточутливих струкнокристалів арсеніду галію простої й дешевої техтур нового покоління. Екологічна чистота, низька нологічної операції виготовлення пористого шару вартість, технологічна доступність методів синтезу GaAs, а також спрощення технології виготовлення й фотоелектрична чутливість забезпечують все шару органічного напівпровідника, яка не потребує більш широке використання фталоцианінів в фовведення металевих наночастинок, знижують сотоелектроніці. Стовпчаста форма нанокристалів, з бівартість сонячного елемента, що заявляється, яких складається пористий арсенід галію, в декільна 80% порівняно з гетерогенним фотоелементомка разів збільшує площу р-n-переходу, тобто актипрототипом. вної ділянки сонячного елемента, що підвищує Під економічним ефектом у даному твердотік.к.д. фотоелектричного перетворення. Як матерілому гетерогенному сонячному елементі розумієал тильного електроду обрано мідь, а верхнього мо здешевлення технології виробництва і більш прозорого, електроду - оксид цинку, легований раціональне використання дорогих компонентів. алюмінієм для забезпечення n-типу провідності Принцип дії заявленого твердотілого гетеро(що забезпечує безперешкодне надходження світгенного сонячного елемента заснований на законі ла до активної ділянки сонячного елемента фотоефекту в неоднорідних напівпровідникових ZnO:Al) з достатньо високою густиною електронів структурах при дії на них сонячного випромінюпровідності (n до 1020см-3). Завдяки широкій забовання. У сонячному елементі створюють р-nроненій зоні оксид цинку прозорий в діапазоні доперехід, що є доступним для світла. Під час освітвжини хвиль сонячного випромінювання, що залення сонячного елемента змінюється концентрабезпечує безперешкодне надходження світла до ція вільних носіїв зарядів, а з нею і струм. Якщо в активної ділянки сонячного елемента. сонячному елементі світло потрапить на p-nНа Фіг.1 зображена схема структури твердотіперехід, то між р і n ділянками виникає напруга. лого гетерогенного сонячного елемента, що заявПолярність фотоелектричної рушійної сили ляється. сонячного елемента, що заявляється, відповідає Сонячний елемент складається з нанокриста"прямому" включенню р-n-переходу, що знижує лів 1, що утворюють пористий шар пластини арсевисоту його потенційного бар'єра й сприяє інжекції ніду галію n-типу провідності 2, на тильній стороні дірок і електронів через p-n-перехід, тобто підвиякої виконано металевий контакт з міді 3, на другій щенню фото-е.р.с. Разом зі збільшенням площі рстороні пластини арсеніду галію - активний шар n-переходу, тобто активної ділянки сонячного фталоцианіну міді 4 з прозорим верхнім електроелемента, це забезпечує високий (до 60%) коефідом 5. цієнт корисної дії твердотілого гетерогенного соПористий шар арсеніду галію виготовляється нячного елемента, що заявляється. шляхом електрохімічного травлення верхньої поверхні монокристалічної пластини арсеніду галію 5 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 40076 6 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601