Гибридный многослойный фотоэлектрический преобразователь



Гибридный многослойный фотоэлектрический преобразователь
Гибридный многослойный фотоэлектрический преобразователь

 

H01L51/46 - 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 2586263:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Аналитические приборы и специальные технологии защиты" (RU)

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии электромагнитного излучения в электричество, в частности фотопреобразователям солнечного излучения на основе органических полупроводников. Согласно изобретению формируют гибридный фотоэлектрический преобразователь, содержащий пять слоев неорганических и органических полупроводников, и в котором первый, обращенный к источнику света, слой выполнен из оксида цинка с дырочной проводимостью, второй по порядку слой выполнен из политиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, третий слой выполнен из поли-3,4,-этилендиокситиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, четвертый слой выполнен из полимерного композита, содержащего поли-3,4,-этилендиокситиофен, перфторированный сульфокатионит и легированный неорганическими отрицательными ионами, пятый слой выполнен из оксида цинка с электронной проводимостью. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии электромагнитного излучения в электричество, в частности фотопреобразователям солнечного излучения на основе органических полупроводников.

Предшествующий уровень техники

Известен гибридный фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), содержащий пленку из полупроводникового полимерного широкозонного фотоэлектрического преобразователя и прозрачную пленку окиси титана (TiOx), размещенного на низкоомном кристаллическом кремнии, описанный в Евразийском патенте N017011, опубл. 2012.09.28 "СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ". При работе такого фотоэлектрического преобразователя, содержащего слой органического и неорганического полупроводников, носители зарядов электроны, образовавшиеся в полимерной пленке за счет поглощения в инфракрасной области спектра при прохождении через него многократно отраженных от межслойных границ солнечного излучения, транспортируются посредством пленки окиси титана в рабочую область кремния, где эти электроны суммируются с носителями зарядов, образовавшимися в слое кремния за счет поглощения в видимой области спектра. Таким образом, происходит увеличение эффективности преобразования солнечного света в электрический ток.

Недостатком этого ФЭПа является то, что в органическом слое преобразуется только небольшая часть спектра солнечного излучения и преобразование света, главным образом, происходит в неорганическом полупроводнике с узкой шириной запрещенной зоны.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются фотоэлектрические преобразователи, содержащие слои органических и неорганических полупроводников [Паращук Д.Ю., Кокорин А.И. "Современные фотоэлектрические и фотохимические методы преобразования солнечной энергии", Ж. Рос. хим. об-ва имени Д.И. Менделеева (ЖРХО), 2008, т. 52, N6, с. 113-114]. Эти ФЭП содержат органические полупроводники с шириной запрещенной зоны приблизительно 2 эВ и узкозонные неорганические полупроводники с шириной запрещенной зоны до 0,7 эВ, поэтому в них не происходит фотоэлектрического преобразования фотонов с энергией менее 0,7 эВ, соответствующих близкой инфракрасной области спектра солнечного излучения.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение спектра светового излучения, поглощаемого в фотоэлектрическом преобразователе и приводящего к генерации электрического тока.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение коэффициента преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию в фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП), содержащем органические полупроводники и генерирующего электрический ток под действием солнечного излучения.

Технический результат достигается тем, что формируют гибридный фотоэлектрический преобразователь, содержащий пять слоев неорганических и органических полупроводников, и в котором первый, обращенный к источнику света, слой выполнен из оксида цинка с дырочной проводимостью, второй по порядку слой выполнен из политиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, третий слой выполнен из поли-3,4,-этилендиокситиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, четвертый слой выполнен из полимерного композита, содержащий поли-3,4,-этилендиокситиофен, перфторированный сульфокатионит и легированный неорганическими отрицательными ионами, пятый слой выполнен из оксида цинка с электронной проводимостью.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано расположение слоев полупроводников в фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП).

На фиг. 2 показана энергетическая диаграмма гетеропереходов между слоями полупроводников в ФЭП в условиях термодинамического равновесия при отсутствии светового облучения (в темноте).

Раскрытие изобретения

Устройство по заявляемому изобретению осуществляют следующим образом. Формируют многослойную структуру ФЭП, образованную несколькими слоями неорганических и органических полупроводников в порядке, показанном на Фиг. 1, где цифрами обозначены: 1 - обращенный к источнику света слой оксида цинка с дырочной проводимостью, 2 - слой политиофена с дырочной проводимостью, 3 - слой поли-3,4,-этилендиокситиофена, 4 - слой полимерного композита, содержащего поли-3,4,-этилендиокситиофен и перфторированный сульфокатионит, 5 - слой оксида цинка с электронной проводимостью.

Геометрические границы между слоями 1, 2, 3, 4 и 5 структуры ФЭП показаны на Фиг. 2 вертикальными линиями. Прямая горизонтальная линия Wf обозначает положение уровня энергии химического потенциала (уровня Ферми), одинакового во всех слоях в условиях термодинамического равновесия электронного газа при отсутствии солнечного излучения. Линиями, претерпевающими разрывы и изломы в областях контактов слоев, показаны относительно уровня химического потенциала уровни энергии электронов в вакууме W0, вблизи условного дна зона проводимости Wc и вблизи верха валентной зоны Wv.

Слои 1 и 5 выполнены из оксида цинка, являющегося полупроводником с шириной запрещенной зоны 3,2-3,6 эВ, который поглощает коротковолновую часть спектра солнечного излучения с длинами волн, меньшими 400 нм, и пропускает более 80% излучения с длинами волн 400-2000 нм. Оксид цинка может быть легирован донорами или акцепторами электронов для создания электронной или дырочной проводимости с большими значениями концентрации и подвижности носителей заряда и, соответственно, большой удельной проводимостью.

При контакте сильно легированных слоев 1 и 5 оксида цинка с дырочной и электронной проводимостью между ними возникает разность потенциалов, максимальное значение которой можно оценить как отношение значения ширины запрещенной зоны к заряду электрона, и которое может достигать 3,2-3,6 В. При расположении между слоями оксида цинка проводников или полупроводников контактная разность потенциалов между крайними слоями 1 и 5 структуры в случае соединения их внешней цепью останется неизменной. Между промежуточными слоями возникнут контактные разницы потенциалов, равные разностям работ выхода электронов из этих слоев, но сумма таких разностей потенциалов будет равна разности потенциалов между слоями 1 и 5.

Слой 2 ФЭП выполнен из политиофена с дырочной проводимостью, легированного отрицательными ионами, например, ионами тетраборфтората или перхлората. Этот слой имеет полосы поглощения в диапазоне длин волн света от 475 до 580 нм, соответствующие переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника.

Слой 3 ФЭП выполнен из поли-3,4,-этилендиокситиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, например, ионами тетраборфтората или перхлората. Этот слой имеет полосы поглощения в видимом диапазоне длин волн света с максимумом 620 нм и в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне с максимумом при длинах волн 1000-1100 нм, соответствующие переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника.

Слой 4 ФЭП выполнен из полимерного композита, содержащего поли-3,4,-этилендиокситиофен и перфторированный сульфокатионит и легированного неорганическими отрицательными ионами, например, ионами тетраборфтората или перхлората. Этот слой имеет полосы поглощения в видимом диапазоне длин волн света с максимумом 880 нм и в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне с максимумом при длинах волн 1000-2000 нм, соответствующие переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника.

Фотоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При облучении ФЭП солнечным светом со стороны слоя 1 в слоях с дырочной проводимостью 1, 2, 3, 4 под действием света будут переходить из валентной зоны в зону проводимости электроны, которые являются несобственными (неравновесными) носителями заряда в полупроводниках с дырочной проводимостью. Вблизи границ слоев ФЭП, как показано на Фиг. 2, энергия Wc электронов в зоне проводимости полупроводников изменяется относительно уровня энергии Wf химического потенциала. Поэтому неравновесные электроны, образовавшиеся в зоне проводимости под действием света, мигрируют из слоев с меньшей энергией Wc электронов в зоне проводимости в слои с большей энергией Wc. Из-за этого в ФЭП возникает электрический ток, направленный от слоя 1 к слою 5, а перепад потенциалов между слоями 1 и 5 уменьшается.

При соединении слоев 1 и 5 через внешнюю электрическую цепь некоторая часть энергии, преобразованной из энергии солнечного излучения в энергию неравновесных электронов, будет выделяться во внешней электрической сети и может быть полезно использована.

В слое 1 в энергию неравновесных электронов преобразуется энергия фотонов солнечного излучения с длинами волн, меньшими 400 нм. В слое 2 в энергию неравновесных электронов преобразуется энергия фотонов солнечного излучения с длинами волн 475-580 нм. В слое 3 в энергию неравновесных электронов преобразуется энергия фотонов солнечного излучения с длинами волн, лежащими вблизи максимумов поглощения света для этого слоя 630 нм и 1000-1100 нм. В слое 4 в энергию неравновесных электронов преобразуется энергия фотонов солнечного излучения с длинами волн, лежащими вблизи максимума поглощения света 880 нм и в диапазоне 1000-2000 нм. До слоя 5 коротковолновое излучение с длинами волн менее 400 нм практически не достигает, поэтому в нем не образуются дырки, являющиеся неосновными носителями заряда для этого слоя с электронной проводимостью. Из слоя 5 инжектируются в слой 4 электроны из-за перепада энергии Wc электронов в зонах проводимости слоев 4 и 5.

Таким образом, из-за генерации электронов в слоях ФЭП под действием фотонов с длинами волн, лежащими во всем спектре видимого и ближнего инфракрасного солнечного излучения, достигается технический результат от использования изобретения, заключающийся в повышении коэффициента преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.

Осуществление изобретения

Фотоэлектрический преобразователь изготовлен следующим образом.

Из водного раствора нитрата цинка на алюминиевой фольге электрохимически при положительном потенциале был осажден в кислой среде при температуре 70-80°С слой 5 оксида цинка с электронной проводимостью.

Затем из раствора 3,4-этилендиокситиофена и перфторированного сульфокатионита МФ-ЧСК в смеси воды и ацетонитрила, содержащей отрицательные ионы тетрабората фтора, электрохимически при положительном (анодном) потенциале на слой 5 был осажден слой 4, содержащий поли-3,4,-этилендиокситиофен, перфторированный сульфокатионит МФ-ЧСК и легированный отрицательными ионами тетраборфтората.

На слой 4 электрохимически при положительном потенциале был осажден слой 3 поли-3,4,-этилендиокситиофена из раствора 3,4-этилендиокситиофена в ацетонитриле, содержащем ионы тетрабората фтора.

На слой 3 электрохимически при положительном потенциале был осажден слой 2 политиофена из раствора тиофена в ацетонитриле, содержащем ионы тетраборфтората.

На слой 2 электрохимически при положительном потенциале был осажден слой 1 оксида цинка с дырочной проводимостью из водного раствора, содержащего ацетаты цинка, марганца и аммония.

При электрохимическом осаждении слоев ФЭП толщину этих слоев регулировали величиной электрического заряда, пропущенного через электроды электрохимической системы. Толщину слоев ФЭП формировали в диапазоне 100-1000 нм.

После изготовления образцов ФЭП были измерены их вольт-амперные характеристики при освещении ФЭП имитатором солнечного излучения и по этим характеристикам были определены коэффициенты преобразования энергии светового солнечного излучения в электрическую энергию в образцах ФЭП, лежащие в диапазоне от 7 до 11%.

ФЭП согласно изобретению является промышленно применимым, так как он может быть изготовлен известными методами электрохимического синтеза с использованием промышленно изготавливаемых компонентов и химических реагентов.

Гибридный фотоэлектрический преобразователь, содержащий несколько слоев неорганических и органических полупроводников, отличающийся тем, что первый, обращенный к источнику света, слой выполнен из оксида цинка с дырочной проводимостью, второй по порядку слой выполнен из политиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, третий слой выполнен из поли-3,4,-этилендиокситиофена с дырочной проводимостью, легированного неорганическими отрицательными ионами, четвертый слой выполнен из полимерного композита, содержащего поли-3,4,-этилендиокситиофен, перфторированный сульфокатионит и легированный неорганическими отрицательными ионами, пятый слой выполнен из оксида цинка с электронной проводимостью.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения органических электролюминесцентных материалов на основе координационных соединений европия для последующего использования в технологии органических светоизлучающих диодов и устройств (ОСИД или OLED).

Изобретение относится к пентакис(алкилтио) производным [60]фуллерена общей формулы 1 , где R представляет собой произвольным образом замещенную алкильную группу, содержащую от 1 до 24 атомов углерода, в качестве терморазлагаемых прекурсоров для получения тонких пленок [60]фуллерена в электронных устройствах.

Изобретение относится к новым композиционным полимерным материалам для светоизлучающих систем. Предложен фотолюминесцентный полимерный композиционный материал, включающий 1,6 мас.% полифенилхинолина (ПФХ) - поли[2,2′-(9-додецилкарбазол-3,6-диил)-6,6′-(окси)бис(4-фенилхинолина)] или поли[2,2′-(9-окта-децилкарбазол-3,6-диил)-6,6′-(окси)бис(4-фенилхинолина)] и 98,4 мас.% полимерной матрицы.

Изобретение относится к области органической электроники, а именно к устройствам памяти на основе органических полевых транзисторов, изготовленных с использованием фотохромных соединений в составе активного слоя, расположенного на границе между слоем полупроводникового материала и диэлектрика.

Изобретение относится к органическому электронному устройству, в частности к ОСИД устройству, и к способу его изготовления. Способ изготовления органического электронного устройства (100) включает в себя следующие этапы: изготовление, по меньшей мере, одного функционального элемента, включающего в себя органический слой (120); нанесение неорганического слоя (140, 141) герметизации поверх функционального элемента; нанесение структурированного органического слоя (150,151) герметизации поверх неорганического слоя (140) герметизации; травление неорганического слоя (140) герметизации для создания, по меньшей мере, одного отверстия; нанесение, по меньшей мере, одной проводящей линии (161, 162) в указанном отверстии таким образом, чтобы она была, по меньшей мере, частично размещена внутри слоев (140, 150) герметизации и доступна извне во внешней контактной точке (CT).

Изобретение относится к новому полимеру бензодитиофена, способу его получения, к полимерной смеси и составу, используемым в качестве полупроводников в органических электронных устройствах, к применению полимера, а также к оптическому, электрооптическому или электронному компоненту или устройству.

Изобретение относится к светоизлучающим устройствам. Светоизлучающее устройство, которое обеспечивает улучшение светового выхода органических светоизлучающих диодов (OLED), содержит по меньшей мере один пористый оксид металла или металлоида, расположенный между подложкой и прозрачным проводящим материалом в OLED.

Изобретение относится к органическому соединению, представленному формулой (1), в которой каждый R1-R20 независимо выбирают из атомов водорода, замещенных или незамещенных алкильных групп, замещенных аминогрупп, замещенных или незамещенных арильных групп.

Изобретение относится к новым сопряженным полимерам, которые могут быть использованы в качестве электролюминесцентного материала в органических светоизлучающих диодах.

Изобретение относится к области органической электроники, а именно к сопряженному полимеру на основе карбазола, бензотиадиазола, бензола и тиофена формулы (Poly-1), где n=5-200.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики и касается конструкции фотоэлектрического модуля космического базирования. Фотоэлектрический модуль включает в себя нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Фотоэлектрохимическая ячейка содержит фотоэлектроды, электролит и электролитный мостик.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Фотоэлектрический модуль (1) содержит боковые стенки (2), фронтальную панель (3) с линзами Френеля (4) на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель (5), солнечные фотоэлементы (б) с байпасными диодами, планки (11), выполненные из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием (12), (13), и металлические платы (9) с регулярно расположенными углублениями (8) для солнечных фотоэлементов (6) и параллельными канавками (10) для планок (11).

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, использующих солнечное излучение для генерирования экологически чистой электроэнергии в больших объемах.

Изобретение относится к устройствам энергопитания космического аппарата, предназначенным для преобразования солнечной энергии в электрическую с максимальной эффективностью и удельной мощностью.

Изобретение относится к способу получения структурированного электропроводящего покрытия на подложке. Технический результат - предоставление способа получения структурированного металлического покрытия на подложке, при реализации которого формируют структурированный металлический слой с четко определенными кантами и краями, что позволяет напечатать картину с высоким разрешением и структурами малых размеров, применимую в солнечных батареях.

Изобретение относится к оптике и касается слоистой интегрированной конструкции с внутренними полостями и способа ее изготовления для применения в гелиотехнике, в технологиях, связанных с получением пластин, в охлаждающих каналах, для освещения теплиц, подсветки окон, уличного освещения, подсветки транспортных потоков, в отражателях транспортных средств или в защитных пленках.

Согласно изобретению предложен солнечный элемент, в котором эмиттерный слой со стороны светопринимающей поверхности подложки на основе кристаллического кремния, с легирующей примесью противоположного типа проводимости, образован из кремниевой подложки, добавленной к упомянутому эмиттерному слою, пассивирующая пленка образована на поверхности кремниевой подложки, а также образованы вытягивающий электрод и коллекторный электрод.

Интегрированная слоистая конструкция для применения в гелиотехнике содержит первый несущий компонент, такой как деталь из пластика или стекла, предпочтительно содержащий оптически прозрачный материал, способный пропускать излучение, и второй несущий компонент, снабженный по меньшей мере одним паттерном поверхностного рельефа, который содержит множество элементов поверхностного рельефа, и выполненный с возможностью осуществления по меньшей мере одной заданной оптической функции в отношении падающего излучения.

Изобретение относится к фоточувствительным полупроводниковым приборам, работающим в инфракрасной области спектра, и может быть использовано при создании одно- и многоэлементных приемников излучения с фоточувствительными элементами на основе структуры с квантовыми ямами. Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами содержит подложку из полуизолирующего GaAs, на которой выращены сильно легированные нижний и верхний контактные слои из GaAs, а между ними множество периодов барьер - яма состава Alx Ga1-x As-GaAs, в которых на границах барьер - яма имеются области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, при этом в нем сформированы области AlxGa1-xAs, проникающие сквозь множество периодов барьер - яма между верхним и нижним контактными слоями и имеющие характерную толщину в плоскости слоев и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей. Техническим результатом является повышение рабочей температуры. Следствием указанного результата является существенное снижение требований к системе охлаждения, уменьшает энергопотребление и весогабаритные характеристики аппаратуры на его основе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх