Кремниевополимерный фотоэлектрический модуль и способ его изготовления

Изобретение относится к конструкции и способу изготовления фотоэлектрических элементов для получения электрической энергии. Технический результат изобретения: получение кремниевополимерного фотоэлектрического модуля с высоким кпд преобразования 70-90% и широким диапазоном длин волн от 3·10^-2 до 10^-11 см. Сущность: изготавливают фотопреобразователь на основе монокристаллического кремния, на который методом потенциостатического циклирования наносят полимерную пленку, которая состоит из смеси проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в соотношении 10:8:4. Также предложен способ изготовления данного кремниевополимерного модуля. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и, в частности, к области создания фотоэлектрических источников электрической энергии.

Основной целью технических решений в этой области является повышение к.п.д. источников электроэнергии, повышение их стабильности и упрощение технологии изготовления.

Известны кремниевополимерные фотоэлектрические модули, в которых за счет слоевого сопротивления к.п.д. повышается приблизительно на 10%. Однако общее к.п.д. остается низким (RU №1.222.152, H 01L 31/18).

Известны многослойные фотоэлектрические модули, в которых совместная способность всех слоев генерировать электрический ток позволяет достичь к.п.д. преобразования 10-15% при освещенности 1000 Вт/м², однако волновой диапазон при этом остается узким (RU №2190901, H 01L 31/18).

Известны фотопреобразователи, выполненные на основе монокристаллического кремния, однако стабильность этих элементов наблюдается в узком диапазоне напряжений и ограниченном диапазоне падающего света. К.п.д. преобразования этих элементов около 10% (RU 2127471, Н 01L 31/18). Это техническое решение является наиболее близким к заявленному.

Были предприняты попытки повысить к.п.д. преобразования фотоэлектрического модуля за счет использования полианилина ПАн («Электрохимия полимеров», изд. Наука, 1991 г., с.191-192).

Было обнаружено, что ПАн может работать в качестве фотоэлектрода, причем величина и направление фототока зависят от окислительного состояния ПАн.

В максимально окисленном состоянии ПАн аналогичным образом работает как полупроводник n-типа, являясь фотоанодом, правда, при этом он быстро деградирует.

В промежуточных окислительных состояниях, фиксируемых подачей определенных потенциалов на полианилиновый электрод, фотоэлектрохимическое поведение ПАн более сложно, разнообразно и не вполне понятно.

Электропроводность ПАн при освещении возрастает, причем это снова связано с действием ИК-света. Чем ниже темновая электропроводность, тем значительнее ее повышение под влиянием света: для ЛЭ эффект достигает 500%.

Однако данный способ не нашел на сегодняшний день применения в промышленности. Это связано с деградацией органического полимера со временем, незначительным к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, ограниченным частотным диапазоном, сложностью формирования электродных материалов.

С другой стороны, известно техническое решение, позволяющее формировать проводящие пленки, состоящие из смеси полимеров, включающих полианилин, основанный на электрохимической окислительной поликонденсации соответствующих мономеров (RU №2209424, G 01 N 27/12). Оно заключается в следующем.

Подложка с нанесенной на нее гребенчатой структурой опускается в раствор, состоящий из 1 моль/л раствора соляной кислоты и смеси мономеров анилина, силаноанилина и стануманилина. В гальванической ванне в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах от 5,5 до 7 В и от -2 до -3,5. В на рабочем электроде, который представляет из себя ситаловую подложку с нанесенными на нее взаимопроникающими проводящими гребенчатыми электродами, синтезируется полимерная смесь. Получаемая смесь осаждается в виде тонкой проводящей пленки на гребенчатой структуре. Пленка полианилина, которая образуется одновременно при электрополимеризации наряду с полисиланоанилином и полистануманилином из-за высокого анодного потенциала частично растворяется и, таким образом, на рабочем электроде образуется пленка из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 7:4:2. Режим нанесения пленки выбирается таким образом, чтобы достичь оптимального содержания полимеров в вышеприведенном соотношении. Этим достигается стабильность и чувствительность нанесенной пленки. Однако данная пленка предназначена для взаимодействия с активными газами и не пригодна для эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический ток.

Техническая задача заключается в создании кремниевополимерного фотоэлектрического модуля с высоким к.п.д. преобразования и широким диапазоном длин волн и наиболее технологичном способе его изготовления.

Технический результат достигается за счет изготовления гибридного фотопреобразователя, состоящего из солнечного элемента на основе монокристаллического кремния, на который методом потенциостатического циклирования нанесена полимерная пленка, состоящая из смеси проводящих полимеров: полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в заданных соотношениях, а также способе изготоволения этого устройства.

К.п.д. фотоэлектрического модуля, согласно настоящему изобретению, достигает порядка 70-90%, диапазон электромагнитных волн, преобразующихся в электрическую энергию от 3·10^-2 до 10^-11 см.

Существо изобретения сводится к тому, что в кремниевополимерном фотоэлектрическом модуле, выполненном на основе монокристаллического кремния, покрытого проводящей полимерной пленкой, вышеуказанная пленка представляет собой смесь из трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4. При этом предлагается выполнить кремниеполимерный фотоэлектрический модуль путем погружения готового солнечного элемента на основе монокристаллического кремния в виде пластины в качестве рабочего элемента в гальваническую ванну с раствором, состоящим из 1,8 моль/л раствора соляной кислоты и смеси мономеров анилина, силаноанилина и стануманилина, создания режима потенциостатического циклирования при потенциале 7,5-10 В и от -3 до -5,5 В и синтеза полимерной смеси до образования на рабочем элементе пленки из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4.

Далее приведен пример изготовления устройства согласно настоящему изобретению.

Готовый солнечный элемент на основе монокристаллического кремния выполнен в виде пластины размером 40×20×1,5 мм.

Установив его в качестве рабочего электрода, последний опустили в гальваническую ванну для электрополимеризации, в которую затем добавили раствор, состоящий из 1,8 моль/л раствора соляной кислоты и смеси мономеров анилина, силаноанилина и стануманилина. Затем установили режим потенциостатического циклирования при потенциалах 7,5-10 В и от -3 до -5,5 В. На рабочем электроде провели электрополимиризацию. В качестве противоэлектрода был использован графитовый стержень. Пленка полианилина, которая образовалась одновременно с полисиланоанилином и полистануманилином из-за высокого анодного потенциала частично растворилась на рабочем электроде, а именно на поверхности монокристаллического кремния, таким образом, образовалась пленка из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4. Полученный таким образом кремниевополимерный фотоэлектрический модуль в виде пластины 40×20×1,5 мм имеет следующие электрофизические характеристики: напряжение холостого хода при освещении от 0 до 100000 ЛК менялось от 1,25 до 1,2 В соответственно. Сила тока короткого замыкания изменялась в соответствии с таким же изменением освещенности в диапазоне от 0,15 до 0,82 А соответственно в диапазоне длин волн от 7,6·10^-5 до 4·10^-5 см, поскольку изготовленный кремниевополимерный фотоэлектрический модуль выдавал электрический ток при полной темноте. Фотоэлектрический модуль был также проверен в инфракрасном диапазоне 3·10^-2-7,6·10^-5, в ультрафиолетовом 4·10^-5-6·10^-5 и рентгеновском до 10^-11.

Сила тока короткого замыкания при отсутствии видимого света и при облучении элемента соответственно каждым источником составила 0,15 А при напряжении холостого хода 0,25-0,3 В.

Проведенными испытаниями установлено, что полученный таким способом фрагмент кремниевополимерного фотоэлектрического модуля представляет из себя элемент с ранее указанными характеристиками:

напряжение холостого хода при освещенности от 0 до 100000 ЛК - 0,2-1,4 В соответственно. Диапазон электромагнитных волн, преобразующихся в электрическую энергию, от 3·10^-2 до 10^-11 см, сила тока короткого замыкания в зависимости от площади элемента может меняться в диапазоне от 0,1-100 А. Кпд элемента достигает 70%. За счет создания комбинированной системы преобразования, охватывающей как обычный диапазон монокристаллического кремниевого преобразователя, так и диапазон вплоть до гамма измерения за счет работы полимерной пленки согласно настоящему изобретению, создан эффективный стабильный солнечный элемент, способ изготовления которого является достаточно простым.

Таким образом, предложенная группа изобретений соответствует условию промышленной применимости, новизне и изобретательскому уровню.

1. Кремниевополимерный фотоэлектрический модуль, выполненный на основе монокристаллического кремния, покрытого проводящей полимерной пленкой, отличающийся тем, что монокристаллический кремний покрыт пленкой из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4.

2. Способ изготовления кремниевополимерного фотоэлектрического модуля по п.1, отличающийся тем, что готовый солнечный элемент, выполненный на основе монокристаллического кремния в виде пластины, в качестве рабочего элемента опускают в гальваническую ванну с раствором, состоящим из 1,8 моль/л раствора соляной кислоты и смеси мономеров анилина, силаноанилина и стануманилина, создают режим потенциостатического циклирования при потенциале 7,5-10 В и от -3 до -5,5 В и синтезируют полимерную смесь до образования на рабочем элементе пленки из смеси трех проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4.