Спосіб виготовлення органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента

Реферат: Спосіб виготовлення органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента включає осадження при кімнатній температурі на кремнієву підкладку з розчину органічної речовини. Поверхню кремнієвої підкладки виконують патерною у вигляді тетрагональних пірамід, а хімічне осадження органічного шару проводять з водного розчину клонідин гідрохлориду з -3 -3 концентрацією від 10 мас % до 3·10 мас % у перерахунку на основний компонент упродовж 2-24 годин. UA 84976 U (12) UA 84976 U UA 84976 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до напрямку 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 спін-коутері полімерної плівки MEH-PPV (poly(2methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevenilene)). Після нанесення алюмінієвого контакту структура показала такі параметри: напруга холостого ходу V xx=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 падали до -3 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 спін-коутинга 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 їх 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 найближчий аналог даної корисної моделі вибрано рішення виготовлення тришарової кремній-полімер 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)/а-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: V xx=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 найближчого аналога 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 хлорвмісного розчинника хлорбензену, який є шкідливою речовиною. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення к.к.д. при збереженні стабільності параметрів сонячного елемента, спрощення конструкції та спрощення технології отримання органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента при зменшенні енерговитрат на виробництво сонячного елемента. Поставлена задача вирішується тим, що у способі для виготовлення органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента, який включає створення шару органічної речовини гетероциклічної хлорпохідної діазосполуки на патерній кремнієвій підкладці з розчину органічної речовини, органічний шар, згідно з корисною моделлю, наносять шляхом хімічного осадження з 1 UA 84976 U -3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -3 водного розчину клонідин гідрохлориду з концентрацією від 10 % до 3·10 % у перерахунку на основний компонент при кімнатній температурі упродовж 2-24 годин. 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. Хімічно осаджений з водного розчину клонідин гідрохлориду 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 електроду, що сприяє кращому збиранню носія струму і збільшенню к.к.д. у порівнянні до найближчого аналога, 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; 2) спрощена технологія виготовлення гібриду завдяки нанесенню органічного шару хімічним осадженням з водного розчину клонідин гідрохлориду при кімнатній температурі, у порівнянні з найближчим аналогом, де використовувався спін коутер та шкідливий хлорвмісний розчинник; 3) енергоощадливість завдяки відсутності високотемпературних процесів; 4) спрощені умови отримання гібридів завдяки відсутності необхідності безоксигенової атмосфери. 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 винаходу пояснюється прикладами. Приклад 1 Як органічні речовини використовувались фармацевтична органічна сполука клонідин гідрохлориду. У хімічній ванні при кімнатній температурі та звичайних атмосферних умовах на патерну підкладку було осаджено шар клонідин гідрохлориду. Після просушування зразків наносився електрод з срібної краски. Параметри отриманих органічно-неорганічних гібридних структур сонячного елемента вимірювались на автоматизованій установці при стандартних 2 тестових умовах, що відповідають AM 1,5, 100 мВт/см , 25 °C. К.к.д. отриманих гетероструктур сягав 5,78 %. Приклад 2 У хімічній ванні при кімнатній температурі звичайних атмосферних умовах на патерну підкладку було осаджено клонідин гідрохлориду при різних термінах осадження. Після просушування наносився електрод з срібної краски. У таблиці 1 наведено к.к.д. гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду при різних термінах осадження. Таблиця 1 К.к.д. гетероструктур з шаром клонідін гідрохлориду при різних термінах осадження. Термін осадження К.к.д., % 50 1 год. 1,5 год. 2 год. 4 год. 10 год. 24 год. 36 год. 48 год. 0,64 2,54 5,58 5,78 5,73 5,46 3,11 2,3 З Таблиці 1 видно, що у діапазоні терміну осадження шару клонідин гідрохлориду від 2 годин до 24 годин к.к.д. має найбільші значення 2 UA 84976 U 5 Приклад 3 У хімічній ванні при кімнатній температурі звичайних атмосферних умовах на патерну підкладку було осаджено клонідин гідрохлориду при різних концентраціях діючої речовини у розчинах. У таблиці 2 наведено к.к.д. гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду, отриманих при різних концентраціях діючої речовини у розчинах. Таблиця 2 К.к.д. гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду, отриманих при різних концентраціях діючої речовини у розчинах. Концентрація речовини К.к.д., % -4 -3 -3 -3 -2 3·10 мас % 1·10 мac % 3·10 мас % 5·10 мас % 1·10 мас % 3,16 5,66 5,78 3,21 2,67 З таблиці 2 видно, що найбільші значення к.к.д. припадають на діапазон концентрацій від 10 -3 мас % до 3·10 мас %. Приклад 4 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 3. 3 10 Таблиця 3 К.к.д. гетероструктур з шаром клонідин гідрохлориду протягом двох років. Термін вимірювання К.к.д., % Після створення 5,76 Через 1 день Через 30 днів 5,76 Через 365 днів Через 730 днів 5,78 5,77 5,78 15 20 25 Дані таблиці 3 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. 231234. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб виготовлення органічно-неорганічної гібридної структури сонячного елемента, який включає осадження при кімнатній температурі на кремнієву підкладку з розчину органічної речовини, який відрізняється тим, що поверхню кремнієвої підкладки виконують патерною у вигляді тетрагональних пірамід, а хімічне осадження органічного шару проводять з водного -3 -3 розчину клонідин гідрохлориду з концентрацією від 10 мас % до 3·10 мас % у перерахунку на основний компонент упродовж 2-24 годин. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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