Органічно-неорганічна гібридна структура сонячного елемента

Реферат: UA 82482 U UA 82482 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сонячної енергетики та оптоелектроніки, зокрема органічно-неорганічні гібридні структури можуть бути використані як для одержання електроенергії, так і для перетворення випромінювання видимого та ближнього інфрачервоного діапазону в електричний сигнал. Вона направлена на спрощення конструкції, здешевлення технології отримання органічно-неорганічних гібридних структур та підвищення ефективності перетворення видимого та ближнього інфрачервоного діапазону в електричну енергію. Відоме рішення виготовлення двошарової кремній-полімер структури з текстурованою нанокристалічною структурою [1]. Двошарові кремній-полімер гетероструктури з текстурованою нанокристалічною структурою були отримані на текстурованій лазерною обробкою мікрокристалічній плівці кремнію осадженням на спин-коутері полімерної плівки MEH-PPV (poly(2 methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevenilene)). Після нанесення алюмінієвого контакту структура показала такі параметри: напруга холостого ходу Vxx=0,56 В, струм короткого -3 замикання Jкз = 6,65 мА/см , коефіцієнт заповнення FF=0,23, коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) = 0,87 %. До недоліків даної структури можна віднести низький к.к.д. при низькому факторі заповнення. Нестабільність структури призводила до того, що через одну годину параметри -3 падали до значень Vxx=0,19 В, Jsкз = 2,77 мА/см , к.к.д. = 0,13 %. Зазначені гетороструктури були отримані стандартними технологіями осадження плівок кремнію із газової фази, лазерного структурування поверхні кремнієвої плівки та спин-коутінга для нанесення плівки полімеру. Ці технології є трудомісткими і потребують спрощення та здешевлення. Відоме також інше рішення, представлене у статті авторів Matthew Т. Lloyd, John E. Anthony, and George G. Malliaras [2]. В цій статті розглянуто метод отримання сонячних елементів із водного розчину малих органічних молекул. Малі органічні молекули пропонують дешеву й просту методику отримання сонячних елементів. Їх легше синтезувати, вони показують вищу рухливість, ніж полімери. Проте коефіцієнти корисної дії сонячних елементів, отриманих із водних розчинів на даний час низькі, не вище 1 %. Як прототип даної корисної моделі вибрано рішення виготовлення тришарової кремнійполімер структури ITO/PEDOT/P3HT/Si/Al [3]. У цій роботі структури отримували наступним чином: Виготовляли два типи зразків. Треба зазначити, що усі операції, включаючи вимірювання параметрів, проводили у безоксигеновій атмосфері. У випадку 1-го типу суцільний шар аморфного кремнію осаджували плазмовим методом на скляну підкладку з струмопровідним шаром ІТО при температурі 20 °C. Далі на спин-коутері осаджували при кімнатній температурі органічний шар Р3НТ (poly(3-hexylthiophene)) з суцільною поверхнею. Після чого проводили відпал протягом 5 хвилин при температурі 110 °C для видалення розчинника. Після нанесення верхнього металевого електрода структура мала п'ять шарів ITO/a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/P3HT/metal чи ITO/a-Si:H(n)/μc-Si:H(i)/P3HT/metal. Для зразків 2-го типу на скляну підкладку з струмопровідним шаром ІТО послідовно наносили органічні шари PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate) (PEDOT-PSS)) та Р3НТ з суцільною поверхнею з послідовними відпалами протягом години при температурі 120 °C та 5 хвилин при температурі 110 °C, відповідно, шар аморфного кремнію при температурі 80 °C та верхній алюмінієвий електрод. У цьому випадку структура мала шість шарів: ITO/PEDOT/P3HT/a-Si:H(i)/a-Si:H(n)/Al. -3 Автори отримали кращі параметри сонячного елемента: Vxх = 0,7 В, Jкз = 4,0 мА/см , FF=0,6, та к.к.д. = 1,6 %. В азотній атмосфері параметри структури були стабільними. До недоліків даної роботи можна віднести наступні факти: 1) відносно низький к.к.д. структури щодо вимог ринку; 2) відносна складність структури - 5-6 шарів; 3) до стандартних технологій додано відпал при температурах 200 °C та 120 °C; 4) структури потребують безоксигенової атмосфери - нанесення органічних шарів та усі вимірювання проводились в атмосфері азоту; 5) шар органічної речовини осаджується з розчину на основі органічного хлормісного розчинника хлорбензену, який є шкідливою речовиною. Задачею корисної моделі є підвищення к.к.д. при збереженні стабільності параметрів сонячного елемента, спрощення конструкції та спрощення технології отримання органічнонеорганічної гібридної структури сонячного елемента при зменшенні енерговитрат на виробництво сонячного елемента. Поставлена задача вирішується тим, що в органічно-неорганічній гібридній структурі сонячного елемента, яка має кремнієву підкладку та шар органічної речовини, яка відрізняється тим, що кремнієва підкладка має патерну поверхню у вигляді тетрагональних пірамід, як органічна речовина, згідно з корисною моделлю, використана гетероциклічна хлорпохідна 1 UA 82482 U 5 10 15 20 25 30 35 40 діазосполука, а поверхня органічного шару виконана у вигляді самоорганізованих комірок, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку. Органічно-неорганічна гібридна структура сонячного елемента відрізняється також тим, що для більшого підвищення к.к.д. як гетероциклічну хлорпохідну діазосполуку використовують клонідин гідрохлорид. Використання нанесених у звичайних атмосферних умовах при кімнатній температурі на патерну кремнієву підкладку гетероциклічних хлорпохідних діазосполук з поверхнею у вигляді самоорганізованих комірок, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку, забезпечують вирішення задачі корисної моделі. Робота органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента полягає у розділенні збуджених під дією світла електронів та дірок між донорними та акцепторними компонентами та їх наступним рухом до електродів. Органічний шар виконує кілька ролей: по-перше, він формує так званий функціоналізований та сенсибілізуючий інтерфейс та межі поділу органіка-неорганіка. Саме функціоналізація поверхні кремнію у даному випадку дозволяє отримати фотовольтаїчний ефект та розділення зарядів на інтерфейсі; по-друге, діапазон поглинання світла розширюється завдяки більш широкій забороненій зони (у термінах фізики кристалічних матеріалів) чи розриву між HOMO (highest occupied molecular orbital) та LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) (y термінах фізики органічних матеріалів) органічних матеріалів. Можна провести певну аналогію між HOMO та валентною зоною та між LUMO та зоною провідності; по-третє, завдяки самоорганізації створюються комірки, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку, завдяки якій розділені заряди переходять до верхнього електрода, що сприяє кращому збиранню носіїв струму і збільшенню к.к.д. у порівнянні з прототипом, де такі комірки відсутні. Корисна модель, що заявляється, має наступні переваги: 1) збільшений коефіцієнт корисної дії гібриду при збереженні високої стабільності в атмосфері оточуючого середовища завдяки використанню гетероциклічних хлорпохідних діазосполук з поверхнею шару у вигляді самоорганізованих комірок, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку; а використання клонідин гідрохлориду дозволило ще більше підвищити к.к.д. 2) спрощена конструкція завдяки меншій кількості шарів. Таким чином, підвищується коефіцієнт корисної дії при збереженні стабільності параметрів сонячного елемента, спрощується технологія виготовлення органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента та зменшуються енерговитрати на виготовлення сонячного елемента. Суть корисної моделі пояснюється прикладами. Приклад 1. Як органічні речовини використовувались фармацевтичні органічні сполуки, які купувались в аптеці. У хімічній ванні при кімнатній температурі та звичайних атмосферних умовах на патерну підкладку було осаджено шар гетероциклічних хлорпохідних діазосполук. Після просушування зразків наносився електрод з срібної краски. Параметри отриманих органічно-неорганічних гібридних структур сонячного елемента вимірювались на автоматизованій установці при 2 стандартних тестових умовах, що відповідають AM 1,5, 100 мВт/см , 25 °C. У таблиці 1 наведено к.к.д. гетеро структур з різними шарами гетероциклічних хлорподібних діазосполук. 45 Таблиця 1 К.к.д. гетероструктур з різними шарами гетероциклічних хлорподібних діазосполук Речовина К.к.д., % 50 Тіамін дифосфат 1,91 Метамезолсодіум Новокаїнамід 2,02 3,85 Вітамін В12 Клонідин 4,24 5,78 З таблиці 1 видно, що гетероструктури на основі патерного кремнію різними шарами гетероциклічних хлорподібних діазосполук демонструють значний к.к.д., а найбільший к.к.д досягається при використанні клонідину. Морфологія поверхні фіксувалась оптичним мікроскопом з фотокамерою. На кресленні показано мікрофотографію поверхні гетероструктури клонідин-кремній, з яких видно, що поверхня гетероструктури має самоорганізовані комірки, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку. 2 UA 82482 U Приклад 2. Параметри отриманих гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду досліджувались протягом двох років та після вимірювань в умовах підвищеної активності Сонця в Криму. Результати досліджень наведено у таблиці 2. 5 Таблиця 2 К.к.д. гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду протягом двох років Термін вимірювання К.к.д., % 10 15 Після створення 5,76 Через 1 день Через 30 днів 5,76 5,78 Через 365 днів Через 730 днів 5,77 5,78 Дані таблиці 2 показують практично незмінні параметри (розбіг даних у межах похибки вимірювання, яка складає 1 %). Джерела інформації:. 1. Efficient laser textured nanocrystalline silicon polymer bilayer solar cells. A.A.D.T. Adokaari, D.M.N.M. Dissanayake, R.A. Hatt Hatt Hatton and S.R.P. Silva. Applied Physics Letters, 2007. - V. 90. - P. 203514. 2. Photovoltaics from soluble small molecules. Matthew T. Lloyd, John E. Anthony, and George G. Malliaras. Materials Today, 2007. - V. 10. - P. 34-41. 3. Hybrid solar cells based on thin-film silicon and P3HT, P.-J. Alet, S. Palacin, P. Roca I Cabarrocas, B. Kalache, M. Firon, and R. de Bettinnies. Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2007. - V. 36. - P. 231-234. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 1. Органічно-неорганічна гібридна структура сонячного елемента, яка має кремнієву підкладку та шар органічної речовини, яка відрізняється тим, що кремнієва підкладка має патерну поверхню у вигляді тетрагональних пірамід, як органічна речовина використана гетероциклічна хлорпохідна діазосполука, а поверхня органічного шару виконана у вигляді самоорганізованих комірок, стінки яких утворюють фронтальну контактну сітку. 2. Органічно-неорганічна гібридна структура сонячного елемента за п. 1, яка відрізняється тим, що як гетероциклічну хлорпохідну діазосполуку використовують клонідин гідрохлорид. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3