Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток



Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток
Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток

 

H01L51/42 - Приборы на твердом теле, предназначенные для выпрямления, усиления, генерирования или переключения или конденсаторы или резисторы по меньшей мере с одним потенциальным барьером или поверхностным барьером; с использованием органических материалов в качестве активной части или с использованием комбинации органических материалов с другими материалами в качестве активной части; способы или устройства специально предназначенные для производства или обработки таких приборов или их частей (способы или устройства для обработки неорганических полупроводниковых тел, включающей в себя образование или обработку органических слоев на них H01L 21/00,H01L 21/312,H01L 21/47)

Владельцы патента RU 2469440:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) (RU)

Изобретение относится к области энергосберегающих технологий. Предложенный способ повышения эффективности полимерных преобразователей введением в активный слой краунзамещенных порфиринов металлов позволяет снизить стоимость производимой электроэнергии из солнечной энергии. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток согласно изобретению включает операцию введения в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя краунзамещенных порфиринатов металлов, при этом краунзамещенные порфиринаты металлов вводят в концентрации от 0.1 до 50 мас.%. Изобретение обеспечивает возможность значительно повысить эффективность органических полимерных преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию, кроме того, использование полимерных активных слоев позволяет получать преобразователи на гибкой основе, большой площади и простыми технологическими способами. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

 

В последние годы широкое распространение нашли фотовольтаические преобразователи солнечной энергии на основе кремния в различных модификациях. Эти преобразователи характеризуются высокими значениями КПД преобразования солнечной энергии в электричество, однако имеют ряд существенных недостатков:

1. Сложная технология получения фотоактивных кремниевых слоев.

2. Сложная технология формирования преобразователей в конечном виде.

3. Невозможность изготовления преобразователя большой площади.

4. Невозможность получения преобразователей на гибкой основе.

5. Высокая стоимость кремниевых преобразователей.

Все эти недостатки отсутствуют в органических полимерных преобразователях, однако по значению КПД преобразования они существенно уступают кремниевым преобразователям. Повышение КПД органических полимерных фотовольтаических преобразователей является первоочередной задачей.

В настоящее время максимальное сертифицированное значение КПД для полимерных преобразователей составляет 6.1%. Основным компонентом фотоактивного слоя в этом преобразователе является специально синтезированный сложного состава полимер - поли [N-9'-гептадеканил-2,7-карбазол-аlt-5,5-(4',7'-ди-2-тиенил-2',1',3'-бензотиадиазол)] {англ.: poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]}. Этот полимер получается многостадийным синтезом и вряд ли может найти широкое применение. Поэтому актуальна задача создания органических полимерных преобразователей на основе промышленно выпускаемых или легко синтезируемых компонентов.

В качестве исходных брали хорошо изученные полимерные композиции для активных слоев преобразователей. В примере 1 приведен способ изготовления и характеристики хорошо известного преобразователя на основе фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофена (П3ГТ) и метилового эфира [6,6]-фенил-С(61) масляной кислоты (МЭ-С61-МК). КПД этого преобразователя равен 3.65% (пример 1). Введение в слой мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (краунпорфиринат Ni(II)) увеличивает КПД до 4%, то есть на 10% (пример 2). Краунпорфиринат Ni(II), по-видимому, играет двоякую роль: во-первых, увеличивает поглощение солнечного света, так как имеет интенсивную полосу поглощения в видимой области оптического спектра при 420 нм и 530 нм. Во-вторых, учитывая большой объем молекулы за счет краун-заместителей, можно предположить, что они являются своеобразными дефектами структуры, на которых происходит развал фотогенерированных экситонов с образованием носителей заряда. Оба эффекта приводят к увеличению тока короткого замыкания и КПД. Эти соображения подтверждаются на примере пары полимерных преобразователей на основе донорно-акцепторной композиции поли-2-метокси-5-(2-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилена (ПМЭГ-ФВ) и МЭ-С61МК. Добавление в этот активный слой мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) также приводит к увеличению КПД от 0.9 (пример 3) до 1.0 (пример 4), то есть на 10%. Мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинаты металлов, использованные при изготовлении полимерной композиции, были синтезированы согласно [2, 3].

Пример 1.

Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из комплекса поли(этилен-диокситиофена)/поли(сульфокислоты) - ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофен (П3ГТ) и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:0.08) толщиной 190-200 нанометров, где полимер П3ГТ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 3.65% при интенсивности солнечного излучения 22 мВт/см2.

Пример 2.

Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофен (П3ГТ), МЭ-С61-МК и мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (в массовом соотношении 57.3:42.2:0.5) толщиной 190-200 нанометров, где полимер П3ГТ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов, порфиринат никеля(II) - сенсибилизирующей добавкой. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 4.0% при интенсивности солнечного излучения 22 мВт/см2.

На рис.1 представлена вольт-амперная характеристика ФВП, содержащего фоточувствительную донорно-акцепторную композицию из поли-3-гексилтиофена, производного фуллерена МЭ-С61-МК и мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (в массовом соотношении 57.3:42.2:0.5), при облучении солнечным светом. КПД=4.0%.

Пример 3.

Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нм. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции ПМЭГ-ФВ и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) толщиной 190-200 нм, где полимер ПМЭГ-ФВ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа Ar. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 0.9% при интенсивности солнечного излучения 10 мВт/см2.

Пример 4.

Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На его поверхность наносили раствор фоточувствительной донорно-акцепторной композиции в хлорбензоле и получали слой толщиной 190-200 нанометров. Состав композиции: ПМЭГ-ФВ и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) с добавлением мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) в количестве 5 мас.%, где полимер ПМЭГ-ФВ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов, порфиринат осмия служит сенсибилизирующей добавкой. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа Аr. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 1.0% при интенсивности солнечного излучения 10 мВт/см2. На рис.2 представлена вольт-амперная характеристика ФВП, содержащего фоточувствительную донорно-акцепторную композицию из ПМЭГ-ФВ, МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) с добавлением мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) в количестве 5 мас.%, при облучении солнечным светом. КПД=1.0%.

Как следует из приведенных примеров, введение краунзамещенных порфиринатов металлов в активный слой органических фотовольтаических преобразователей приводит к увеличению эффективности преобразования солнечного света в электрическую энергию на 10%. Интервал мас.% от 0.1 до 50 определяется тем, что при концентрациях краунзамещенного порфирината металла, меньших 0.1 мас.%, увеличение эффективности составляет ~1%, что близко к точности его определения, а при концентрациях, больших 50 мас.%, эффективность падает до 5% за счет того, что поглощение начинает перекрывать поглощение основных компонентов активного слоя. При дальнейшем увеличении концентрации краунзамещенного порфирината металла падение эффективности еще более усиливается. Если краунзамещенный порфиринат металла содержится в активном слое в количестве от 0.1 до примерно 0.5 мас.%, то он находится в мономолекулярной форме. При остальных концентрациях краунзамещенный порфиринат металла присутствует в активном слое в виде смеси мономолекулярной формы и молекулярных агрегатов.

Литература

1. S.H.Park, A. Roy, S. Beaupre et al. // Nature Photonics, 2009, V.3. P.297-303.

2. А.Ю.Чернядьев, Н.М.Логачева, А.Ю.Цивадзе // Журнал неорганической химии, 2006. Т. 51. С.788.

3. Ю.А.Плачев, А.Ю.Чернядьев, А.Ю.Цивадзе // Журнал неорганической химии, 2009. Т.54. С.612.

1. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток, отличающийся тем, что в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя вводят краунзамещенные порфиринаты металлов.

2. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток, отличающийся тем, что в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя вводят краунзамещенные порфиринаты металлов в концентрации от 0,1 до 50 мас.%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве краунзамещенного порфирината металла используется мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II) используется в мономолекулярной форме.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II) используется в виде молекулярных агрегатов.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве краунзамещенного порфирината металла используется мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия(II).

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия (II) используется в мономолекулярной форме.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия (II) используется в виде молекулярных агрегатов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производному бензоинденохризена, представленному общей формулой (1) гдекаждый из X1, Х2 , Х3, Х4, Х5, Х6, Х7, Х8, X9, Х10, Х11, X12, X13, Х14 , X15 и X16 выбран независимо друг от друга из атома водорода и группы заместителей, состоящей из атома галогена, цианогруппы, нитрогруппы, третбутильной группы, метоксигруппы, этинильной группы, ацетинильной группы, бензильной группы, фенильной группы, нафтильной группы, бифенильной группы, флуоренильной группы, антраценильной группы, флуорантенильной группы, пиренильной группы, бинафтильной группы, фенантренильной группы, бензофлуорантенильной группы, , фенантролинильной группы и феноксигруппы, и каждый заместитель может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну метальную группу, третбутильную группу и фенильную группу.

Изобретение относится к области оптики, в частности к электролюминесцирующим наноструктурам, и может быть использовано при создании эффективных устройств для отображения алфавитно-цифровой и графической информации.

Изобретение относится к органическим светодиодным устройствам. .

Изобретение относится к соединению циклометаллированного комплекса платины (II) - (2-фенилпиридинато-N,C2' )(1-фенил-3-метил-4-(5-бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил)-5-пиразолонато-O,O)платине (II) формулы 1 Также предложены сополимеры на его основе и органический светоизлучающий диод.

Изобретение относится к органическому соединению, представленному общей формулой (1) где каждый из R1-R8, R10 и R13 представляет собой атом водорода; каждый из R9 и R14 представляет собой группу, выбранную из атома водорода, трет-бутильной группы, фенильной группы и нафтильной группы, причем фенильная группа содержит, по меньшей мере, один заместитель, выбранный из метальной группы, трет-бутильной группы и фенильной группы, или является незамещенной; один из R11 и R12 представляет собой атом водорода, а другой из R11 и R12 представляет собой группу, выбранную из нафтильной группы, фенантренильной группы, антраценильной группы, периленильной группы, хризенильной группы, бензо-с-фенантренильной группы, флуоренильной группы, флуорантенильной группы, бензофлуорантенильной группы и нафтофлуорантенильной группы, причем нафтильная группа содержит в качестве заместителя фенильную группу или является незамещенной, антраценильная группа содержит в качестве заместителя фенильную группу или является незамещенной, хризенильная группа содержит в качестве заместителя фенильную группу или является незамещенной, флуоренильная группа содержит в качестве заместителя метальную группу, флуорантенильная группа содержит, по меньшей мере, один заместитель, выбранный из трет-бутильной группы и фенильной группы, или является незамещенной, и бензофлуорантенильная группа содержит, по меньшей мере, один заместитель, выбранный из фенильной группы, фенильной группы, замещенной метальной группой, и фенильной группы, замещенной трет-бутильной группой, или является незамещенной.

Изобретение относится к органическим светоизлучающим устройствам. .

Изобретение относится к области электронной техники. .

Изобретение относится к конденсированному полициклическому соединению, представленному общей формулой (I): где радикалы R1-R18 , каждый независимо, выбирают из группы, состоящей из атома водорода, фенильной группы и фенильной группы, замещенной двумя трет-бутильными группами.

Изобретение относится к способу изготовления солнечных элементов (СЭ). .

Изобретение относится к солнечным элементам и слоям материала в составе этих элементов, а также к способу и системе для изготовления солнечных элементов. .

Изобретение относится к термоциклическим испытаниям. .

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники. .

Изобретение относится к области фотогальванических элементов, в частности к способу получения светопоглощающего слоя тонкопленочных солнечных элементов из меди-индия-галлия-серы-селена.

Изобретение относится к технологии изготовления оптоэлектронных приборов, в частности солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). .
Наверх