Способ изготовления последовательности фотогальванических слоев методом печати при комнатной температуре и последовательность фотогальванических слоев, полученная данным способом
Владельцы патента RU 2750998:
ДАЙНЭМИК СОЛАР СИСТЕМС АГ (DE)
В конкретных вариантах осуществления изобретения частицы (100) печатают с образованием участков на подложке (300). Каждая область поверхности подложки имеет участок с частицами (102), подвергнутыми восстановительной обработке, и участок с частицами (103), подвергнутыми окислительной обработке, при этом эти участки имеют фотогальваническую активность противоположной полярности. Участки могут последовательно соединяться через верховые контакты (400) и точная сумма потенциалов, зависящая от силы света, может быть измерена с помощью прибора (500) для фотогальванических измерений. Изобретение обеспечивает надежную фотогальваническую функцию в течение длительного срока службы, что достигается благодаря процессу реакционного кондиционирования неорганических частиц в ходе печати при комнатной температуре, обеспечивающему точное управление фотогальванической активностью, дает кинетически контролируемый продукт реакции даже при использовании исходных материалов технической чистоты порядка 97%. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники
Область техники, в целом, может быть описана термином «электрические тонкие слои». Тонкие слои такого типа имеют толщину от нескольких микрон до нескольких сотен микрон и находят применение при производстве, обработке, контроле, регулировании, измерении и передаче энергии.
В частности, настоящее изобретение основано на фотогальванических электрических системах, в которых электрический ток получают из фотонов. Термин «фотогальванический» (photovoltaic) может быть сокращен до «PV», в переводе «ФГ». Изобретатель долгое время был сотрудником нескольких ассоциированных компаний в области фотогальваники. В качестве иллюстрации можно сослаться на документ WO 2014-019560 А1, который вместе с документами, цитируемыми и включенными в поиск в отношении этого патентного семейства, может рассматриваться здесь как описание технических основ систем печати в соответствующей области техники - фотогальванике.
Начав с известных существующих систем, заявитель исследовал и разработал процессы и изделия, в которых фотогальваническая энергия может длительно и устойчиво создаваться, обрабатываться, храниться и использоваться с минимальными производственными затратами. В качестве иллюстрации можно сослаться на патентные семейства DE 102015102801.8, DE 102015015435.4, DE 102015015600.4 и DE 102016002213.2 А, технические принципы которых легли в основу настоящего изобретения и дают представление о соответствующих знаниях и возможностях. В порядке подготовки, далее описаны идеи и основные элементы вышеупомянутых патентных документов в свете характеристики предшествующего уровня техники.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к способу получения последовательности фотогальванических слоев при комнатной температуре и к последовательности фотогальванических слоев, полученных этим способом, в соответствии с признаками независимых пунктов формулы изобретения.
Было установлено, что важным аспектом настоящего изобретения является изготовление неорганических основных элементов при комнатной температуре с применением водных дисперсий и растворов.
Неорганические основные элементы имеют намного больший срок службы, чем соответствующие органические системы. Последовательности органических фотогальванических слоев сохраняются от нескольких дней до нескольких месяцев, в то время как неорганические фотогальванически активные элементы в стандартизированных испытаниях в камерах с контролируемым климатом для имитации срока службы до 30 лет демонстрировали не менее 90% первоначальных характеристик. Органические модификаторы, вспомогательные вещества и добавки, например, полимерный компаунд для подложки типа стекло-стекло или композитная подложка из органического волокна с фотогальванически активным тонкослойным материалом, не выдерживали испытаний, а генерирующие энергию основные элементы с металлическими соединяющими проводами, несмотря на чрезвычайно состаренный и неприглядный вид изделия в целом, продолжали функционировать и выдавали энергию. Авторы изобретения объясняют это неорганической природой основных элементов последовательности фотогальванических слоев, которые, естественно, не содержат каких-либо полимеров или органических углеводородных соединений.
Процессы при комнатной температуре обеспечивались реакционноспособными системами, использующими энергию химической реакции для формирования и слоев и задания их характеристик. «Комнатная температура» охватывает температурные диапазоны, обычные для промышленного производства, которые, в зависимости от местоположения завода, могут составлять от нескольких градусов выше нуля по Цельсию до 80°С. Было установлено, что реакции, протекающие при комнатной температуре, по сравнению с известной операцией прессования и/или спекания, обеспечивают получение структур с гораздо более широким, а в некоторых случаях чрезвычайно разнообразными запрещенными зонами. Так, впервые удалось получить слоистую структуру способную, в частности, преобразовывать в энергию контактное тепловое излучение теплой воды в узком диапазоне длин волн.
Водные дисперсии и растворы не получили применения на рынке фотогальваники. Обычные кремниевые пластины сложны в производстве и несовместимы с влагой. В частности, поставщики проводящих паст и наносимых на поверхность электропроводящих электродных материалов часто сталкиваются с необходимостью создания полностью безводных систем, которые могут в конечном счете подвергаться прессованию и спеканию в вакуумных устройствах при температуре по меньшей мере 150°С параллельно с операциями нанесения покрытия или осаждения из паровой фазы. Авторы изобретения полагают, что это является причиной, по которой известные системы печати и растворы для печати на основе водных паст не используются в данной области техники. В условиях «комнатной температуры», вопреки ожиданиям, могут найти применение такие старые технологии, как фотогальванически активные полупроводники, комбинации вида металл-неметалл и металл-металл-халькогенид, а также вида металл-металлогалоген, которые достаточно стабильны при температурах менее 100°С, даже если они были обработаны и нанесены с использованием водных дисперсий или растворов.
Известные системы печати и растворы для печати включают в себя средства, основные компоненты, модификаторы и вспомогательные средства, как указано в вышеупомянутых заявках, а также раскрыто, например, в документах, относящихся к печати: DE 1221651 A, DE 2012651 В, DE 2529043 В2, DE10004997 A, DE1907582 В, DE 2017326А, DE 2345493 С2, GB 1449821 A, DE 2733853 A, DE 3447713 А, JP Н043 68887 А, JPH06001852 A и DE 4322999 A1. Особого упоминания в настоящем описании заслуживает документ DE 19720004 С1, поскольку в нем раскрыто последовательное использование специально подобранных реактивных цветных чернил в способах струйной печати, которые можно рассматривать параллельно с разработанными в настоящее время способами реактивной печати для электротехнических целей, и продемонстрирована техническая реализуемость реактивных систем печати с помощью известных средств печати. Тем не менее, авторам изобретения не известны способы печати конкурентов, подобные настоящему изобретению, которые были бы полностью основаны на получении полной последовательности неорганических фотогальванических слоев, включая входные и выходные электрические проводники, которые обеспечивали бы соединение контактов при комнатной температуре.
Недостаток решений предшествующего уровня техники заключается в том, что они в качестве составной части последовательности фотогальванических слоев всегда предусматривают пасты или материалы, содержащие вредные органические растворители и/или токсичные тяжелые металлы, например свинец, кадмий или селен, и/или подвергаемые спеканию/прессованию при температуре порядка 100°С или более, прежде чем будет получена последовательность фотогальванически активных слоев, включающая токоприемные проводники и соединение контактов. Ни один документ не раскрывает полные и убедительные решения, позволяющие получить при комнатной температуре в приемлемом виде полную последовательность фотогальванических слоев, включая электроды. Еще одним недостатком является то, что в существующих последовательностях фотогальванических слоев для надежного обеспечения фотогальванической активности приходится применять очень чистые и поэтому весьма дорогостоящие исходные материалы.
В частности, традиционная слоистая структура последовательности фотогальванических слоев, в которой фотогальванически активный слой на одной стороне должен иметь контакт с первым нижним электродом, а на другой, противоположной, стороне - с противоположным верхним электродом, имеет недостатки. Поры, точечные дефекты и зазоры в фотогальванически активном слое делают присоединение верхних контактов с использованием жидкостных или пастообразных средств практически невозможным, поскольку это может вызвать появление коротких замыканий между двумя слоями электродов через эти зазоры и дефекты, а это не позволяет преобразовывать фотогальваническую активность в энергию в больших плоских областях: фотогальванический ток течет через короткое замыкание или зазор непосредственно на противоположную сторону фотогальванически активного слоя и не используется; под действием фотогальванического тока слой нагревается, а электрический износ приводит к значительному преждевременному старению и ранней эрозии.
Поэтому целью настоящего изобретения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники и создание способа и последовательности фотогальванических слоев, полученной этим способом, в котором, несмотря на ведение промышленного процесса при комнатной температуре, использование неорганических основных элементов и применение водных растворов и/или водных дисперсий, обеспечивается получение завершенной последовательности фотогальванических слоев как части готового, контактно соединяемого слоистого композита.
Эта цель достигается использованием признаков независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения и последующем описании.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении реализован способ получения последовательности фотогальванических слоев, в котором неорганические основные элементы обрабатывают при комнатной температуре, используя водные растворы и/или водные дисперсии, с применением способов печати, чтобы получить завершенную последовательность фотогальванических слоев, контакты с которой осуществляются посредством электродов.
Способ включает в себя следующие этапы:
(а) полупроводниковые частицы 100 размером от 0,5 мкм до 100 мкм, состоящие из по меньшей мере двух элементов, диспергируют в водном реакционном растворе 200, частично растворяют их путем окисления или восстановления и равномерно наносят на поверхность подложки 300;
(б) реакционный раствор 200 преобразуют с сокращением объема в слой 201 отвержденного реакционного раствора, в котором частицы 100 выступают за пределы слоя 201 отвержденного реакционного раствора, при этом их нижняя сторона закреплена в слое 201 реакционного раствора, а верхняя сторона выступает за пределы слоя 201 реакционного раствора;
(в) верхнюю сторону этих частиц, по меньшей мере частично, оснащают верховым контактом 400.
Последовательность фотогальванических слоев согласно настоящему изобретению получают описанным выше способом и она характеризуется наличием частиц 100, которые нанесены способом печати на участки поверхности подложки, а фотогальванические характеристики частиц задают с помощью сопутствующей химической реакции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению, способ получения последовательности фотогальванических слоев основан на уже имеющихся разработках, но впервые предусматривает обработку неорганических фотогальванически активных основных элементов при комнатной температуре при использовании водных растворов и/или водных дисперсий с применением способов печати для получения завершенной последовательности фотогальванических слоев, контактное соединение с которой осуществляется помощью токосъемных электродов.
Существенным является то, что способ включает в себя следующие этапы.
На этапе (а) полупроводниковые частицы 100 размером от 0,5 мкм до 100 мкм, состоящие из по меньшей мере двух элементов, диспергируют в водном реакционном растворе 200, частично растворяют их путем окисления или восстановления и равномерно наносят на поверхность подложки 300. Фотогальванически активный материал, состоящий из по меньшей мере двух элементов, активируют путем частичного растворения и его стехиометрический состав изменяется. В результате до этого равномерное и однородное легирование или химический состав претерпевает значительные изменения в тонком наружном слое. Это изменение кинетически регулируют при комнатной температуре с образованием наиболее быстродоступных фаз и соединений, что приводит к формированию продуктов, которые являются по меньшей мере метастабильными по природе и значительно отличаются от термодинамически стабильных продуктов.
На этапе (б) реакционный раствор 200 преобразуют с сокращением объема в слой 201 отвержденного реакционного раствора. Этот слой предварительно сформирован и напечатан в виде дисперсии, в которой объем зазоров между частицами заполнен по существу водным реакционноспособным раствором. Таким образом, результатом сокращения объема является то, что раствор вначале усаживается в некоторой степени и обнажает части частиц 100. Преобразованные метастабильные фазы фиксируются и частицы 100 прочно закрепляются на подложке 300. Частицы 100 в конечном итоге выступают за пределы слоя 201 отвержденного реакционного раствора. Таким образом, конечный результат состоит в том, что частицы имеют нижнюю сторону, закрепленную в слое 201 реакционного раствора, и верхнюю сторону, выступающую за пределы слоя 201 реакционного раствора. Здесь сопутствующая реакция постепенно прекращается, при этом, чем дольше длится контакт с реакционным раствором 200, тем дольше протекает реакция растворения во время отверждения. Авторы изобретения предполагают, что это реакционное кондиционирование, по меньшей мере на верхней стороне, создает градиент в частицах, зависящий от длительности контакта в процессе отверждения, способствующий фотогальванической активности и повышающий ее доступность.
На этапе (с) верхнюю сторону частиц 100 оснащают, по меньшей мере частично, верховым контактом 400.
Полученные таким образом последовательности фотогальванических слоев с частицами SiC в конкретном рабочем примере обеспечили разность потенциалов в несколько сотен милливольт. Авторы изобретения предполагают, что это может быть объяснено дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне, которые, возможно, связаны со субстехиометрическими соединениями и дефектами на наружной поверхности частиц 100, возникающими во время реакции. Следовательно, это дает возможность использовать в принципе известные сочетания фотогальванически активных материалов, которые первоначально вводят в виде гомогенных частиц и наносят в ходе реакции в соответствии с заявленным способом с изменением их стехиометрии для получения последовательности фотогальванически активных слоев весьма простым и недорогим способом. Примеры существующих и возможных сочетаний фотогальванически активных материалов можно найти в качестве иллюстрации в документе DE 3936666 С2. Таким же образом могут быть использованы известные сочетания вида металл-оксид металла и металл-галогенид металла, как описано выше.
Предпочтительно, способ характеризуется тем, что по меньшей мере на одном дополнительном этапе частицы 100 кондиционируют путем окисления или восстановления на по меньшей мере одной области поверхности, в результате чего образуются участки частиц 102, подвергнутых восстановительной обработке, или участки частиц 103, подвергнутых окислительной обработке. В конкретном рабочем примере в частицах SiC удалось изменить полярность заметного фотогальванического тока путем окислительного/основного или восстановительного/кислотного кондиционирования. В данном случае было невозможно измерить темновой ток, способный вызвать чисто электрохимические процессы, протекающие также в темноте. Авторы изобретения предполагают, что в данном случае по меньшей мере два уровня внутри запрещенной зоны были заполнены или освобождены вследствие окислительных или восстановительных реакций, так что природа основных носителей заряда между двумя энергетическими уровнями изменялась на акцепторную или донорную, в зависимости от условий кондиционирования.
Предпочтительно, способ характеризуется тем, что на следующем этапе процесса в непосредственном контакте с частицами 100 по меньшей мере одного участка поверхности, предпочтительно, участка поверхности на верхней стороне, формируют наноразмерные структуры, содержащие по меньшей мере одну структуру, выбранную из группы, состоящей из цепочек, ячеек и ячеистых трубок. За счет электрического соединения с цепочками атомов или цепочками молекул различной длины возможно дополнительно изменять энергетический уровень. В конкретном эксперименте добавки на основе сажи, углеродных нанотрубок и формирующих цепочки галогенов и галогенидов металлов в реакционный раствор 200 привели к расширению диапазона длин волн, в котором наблюдалась фотогальваническая активность последовательности фотогальванических слоев. Это может быть разумно объяснено электрическим контактом с нанотрубками и цепочками и изменением наружной стороны частиц.
Предпочтительно, способ отличается тем, что смежные участки поверхности с частицами 100 кондиционируют с помощью различных растворов, получая смежные участки поверхности частиц 100 в чередующейся последовательности - в виде участков частиц 102, подвергнутых восстановительной обработке, и участков частиц 103, подвергнутых окислительной обработке. Более предпочтительно, каждая область поверхности представляет собой объединение участков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, благодаря чему верховой контакт 400 позволяет обеспечить последовательное соединение участков поверхности весьма простым способом. Таким образом, можно объединять участки поверхности друг с другом, формируя каскад, в котором фотогальванические потенциалы складываются. В практическом эксперименте при расположении полученного способом печати фотогальванического слоя твердых частиц на подложке 300 из древесного материала было получено напряжение от 1 до 2 вольт при каскадном соединении только с верхней стороны.
Предпочтительно способ характеризуется тем, что по меньшей мере на одном дополнительном этапе способа электроды, включая по меньшей мере один электрод 301 подложки и/или слой верхнего контакта 400, предварительно наносят на плоский материал и затем соединяют их с последовательностью фотогальванических слоев на этом плоском материале. Особенно предпочтительным для этого является нанесение высушиваемого на воздухе и/или реакционно отверждаемого электродного раствора на прозрачную пленку с последующим адгезионным соединением пленки в плоскости с предварительно заданным позиционированием ровно на полученный способом печати фотогальванически активный слой.
Предпочтительно способ характеризуется тем, что в качестве подложки для последовательности фотогальванических слоев используются длинные плоские листы материала, предпочтительно листы пленки и/или листы бумаги, более предпочтительно листы конопляной бумаги. Преимущество конопляной бумаги заключается в том, что она может быть изготовлена без применения сульфатов. Такая конопляная бумага, снабженная дополнительным ингибитором влаги и/или биоцидом, способна успешно выдерживать высокие температуры без пожелтения, значительной механической деградации или иного ухудшения ее свойств.
Предпочтительно, способ характеризуется тем, что в нем используют измельченные, предпочтительно механически измельченные, частицы 100 крупностью не более 50 мкм, предпочтительно 30±15 мкм, более предпочтительно, крупностью от 0,5 мкм до 10 мкм. Механически измельченные частицы имеют углы и края, которые могут быть углублены в подложку и лучше закреплены на ней в процессе печати. Предпочтительно, способ отличается тем, что контактные электроды печатают и/или располагают на внутренней стороне покровной пленки, а последовательность фотогальванических слоев, полученную в результате процесса, ламинируют такой пленкой для получения электрического контакта с выводами, выступающими из компаунда. Это особенно эффективно, поскольку обеспечивает одновременное формирование целых модулей и соединение их контактов, как это описано для проводных электродов в документе DE 4018013 А.
Дополнительные преимущества и полезные средства ясны из практических примеров и последующего описания. Практические примеры не должны рассматриваться как ограничительные. Описанные дополнительные признаки и дополнительные меры, а также полезные дополнительные признаки и дополнительные меры, известные из уровня техники, могут быть использованы в предмете изобретения, заявленном в объеме независимых пунктов формулы изобретения, в пределах объема охраны изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигуры содержат следующие схематические изображения.
На фиг. 1А показан результат этапа (а) способа, в котором слой, содержащий частицы 100 в реакционном растворе 200, нанесен на подложку 300.
На фиг. 1Б показан результат этапа (б) способа, в котором реакционный раствор 200 отвержден с получением более тонкого слоя, а именно - слоя 201 отвержденного реакционного раствора, при этом частицы 100 закреплены нижней стороной на подложке 300 посредством отвержденного слоя и выступают верхней стороной из слоя 201 отвержденного реакционного раствора.
На фиг. 1 В показан слой согласно фиг. 1А и 1Б после заключительного нанесения верхнего контакта 400.
На фиг. 2 показана частица 100 с верхней стороной 101 и нижней стороной 104, подвергнутой восстановительной обработке, закрепленная в слое 201 отвержденного реакционного раствора 201 на подложке 300.
На фиг. 3 показано расположение и контактное соединение напечатанных участков областей частиц 100 согласно фиг. 2 в простой последовательности фотогальванических слоев с противоположным электродом на нижней стороне (не показан).
На фиг. 4 показано возможное соединение и результирующая полярность напечатанных участков областей последовательности фотогальванических слоев, имеющих (А) подвергнутые окислительной обработке участки частиц 103 и (Б) подвергнутые восстановительной обработке участки частиц 102, каждый из которых соединен с прибором 500 для фотогальванических измерений, представленным здесь как конденсатор, посредством нижнего электрода 301 подложки и токосъемного контакта на верхней стороне.
На фиг. 5 показано возможное соединение последовательности участков, нанесенных способом печати на подложку 300 и содержащих частицы 100, при этом на каждом из этих участков подвергнутый окислительной обработке участок частиц 103 объединен с подвергнутым восстановительной обработке участком частиц 102 и все участки соединены последовательно через верховой контакт 400 в каскад, а каскад соединен с прибором 500 для фотогальванических измерений.
На фиг. 6 показано возможное протекание электрического тока в полученных способом печати участках, содержащих частицы 100, с каскадным расположением подвергнутых восстановительной обработке участков частиц 102, и подвергнутых окислительной обработке участков частиц 103, как внутри этих участков, так и из одного участка в другой через контактное соединение.
На фиг. 7 показано расположение последовательности слоев, содержащей подложку 300, нижний электрод 301 подложки, участки, содержащие частицы 100, и верхние контакты 400.
На фиг. 8 показано расположение согласно фиг. 7 в увеличенном масштабе, с выделенными элементами подложки 300, электрода 301 подложки и непроводящей границы 302, выполненной рельефной печатью.
На фиг. 9 приведено изображение со сканирующего электронного микроскопа (SEM) и соответствующая схематическая диаграмма с позиционными обозначениями для последовательности фотогальванических слоев согласно предшествующему уровню техники, содержащей поверхность Cu-Ni-электрода 601 обратной стороны, к которому примыкает показанный в разрезе после электрода 602 обратной стороны слой 603 прозрачного проводящего оксида (ТСО), за которым следует фотогальванически активный слой 604 на основе кремния (Si), наружный слой ТСО, наружный противоотражательный слой и, наконец, верхняя стеклянная подложка 605 с верхней стороны. Весь композит имеет толщину в несколько микрон, согласно 5 мкм шкале 606.
На фиг. 10 приведено изображение со сканирующего электронного микроскопа SEM и соответствующая схематическая диаграмма с позиционными обозначениями для последовательности фотогальванических слоев, полученной согласно заявленному способу, содержащей механически измельченные частицы 701, которые были подвергнуты кондиционированию и затем зафиксированы реакционным раствором, при этом они покрыты и зафиксированы отвержденным стекловидным аморфным реакционным раствором 702, причем 20 мкм шкала 703 указывает на морфологию с явно различными соотношениями размеров.
На фиг. 11 приведено изображение со сканирующего электронного микроскопа SEM и соответствующая схематическая диаграмма с позиционными обозначениями для последовательности фотогальванических слоев, полученной согласно заявленному способу, содержащей взаимопроникающие фазы 801 и 802, окружающие и связывающие частицы 803, причем 5 мкм шкала 804 указывает на морфологию с явно различными соотношениями размеров.
Осуществление изобретения
В предпочтительном варианте осуществления изобретения был реализован способ, в котором на этапе (а) полупроводниковые частицы 100 SiC технической чистоты с максимальным размером 30±15 мкм диспергировали в водном реакционном растворе 200, состоящем из подщелоченного гидроксидом натрия раствора диоксида кремния, частично растворенного в результате окисления, при небольшом выделении газа, и наносили на участки поверхности пленочной подложки и/или бумажной подложки 300 с предварительно нанесенным электродом 301 подложки, предпочтительно, с дополнительной печатной границей 302.
На этапе (б) реакционный раствор 200 преобразовали с сокращением объема в слой 201 отвержденного реакционного раствора, при этом частицы 100 выступали за пределы слоя 201 отвержденного реакционного раствора, их нижняя сторона была зафиксирована в слое 201 реакционного раствора, а верхняя сторона выступала за пределы слоя 201 реакционного раствора.
Верхнюю сторону частиц на участках поверхности подвергали окислительной или восстановительной обработке, в результате чего возникали участки частиц 102, подвергнутых восстановительной обработке, или участки частиц 103, подвергнутых окислительной обработке, на которых, в свою очередь, сформировали наноразмерные структуры, содержащие по меньшей мере одну структуру, выбранную из группы, состоящей из цепочек, ячеек, ячеистых трубок, предпочтительно цепочек углеродных нанотрубок (CNT) и/или цепочек галогенов, в непосредственном контакте с частицами 100 по меньшей мере на одном участке, и
смежные участки поверхности с частицами 100 кондиционировали с использованием различных растворов, формируя смежные участки частиц 100 в чередующейся последовательности в виде участков частиц 102, подвергнутых восстановительной обработке, и участков частиц 103, подвергнутых окислительной обработке.
На этапе (в) верхнюю сторону частиц, по меньшей мере в их части, оснастили верховым контактом 400, а подвергшиеся чередующемуся кондиционированию участки с частицами 100 соединили последовательно и подсоединили к конечным контактным электродам.
В качестве присадки, образующей галоидную цепочку, в реакционный раствор 200 добавляли раствор Люголя в количестве нескольких процентов по массе.
В качестве модификатора эластичности в реакционный раствор добавляли диспергированный в воде полиэфир крахмала в количестве от 0,1% до 2% по массе.
Вспомогательные вещества, используемые для кондиционирования, представляли собой, во-первых, водное кислотное поверхностно-активное вещество и, во-вторых, водный щелочной полиол, причем поверхностно-активное вещество и полиол действовали как смачивающие добавки, улучшающие испарение водной фазы. Оба вспомогательных вещества с целью кондиционирования отвержденных участков наносили на поверхность с концентрацией около 1 г/м2 в виде тонкого или ультратонкого слоя, а испаряющуюся водную фазу удаляли отсасыванием.
Как видно из прилагаемых чертежей, различные способы контактного соединения обеспечивают разные преимущества и имеют разные варианты применения. Прямое каскадирование последовательности одиночных участков позволяет снимать фотогальванические потенциалы, точно соответствующие интенсивности падающего света; это позволяет получать печатные фотодатчики. В отличие от этого, плоские электроды, оптимизация размеров участков и толщины слоев позволяют максимально увеличить доступную мощность и обеспечивают возможность использовать сочетания печатных фотогальванических слоев в качестве обычного фотогальванического источника питания со стандартным КПД порядка 10%. А комбинация этих двух мер позволяет подбирать максимальное доступное напряжение, в частности, чтобы обеспечить напряжения, необходимые для конкретных приборов или вариантов применения.
Фиг. 9-11 иллюстрируют морфологические отличия продуктов, полученных заявленным способом: в отличие от существующих систем и фотогальванических слоев, получаемых с применением совместного испарения или других газофазных способов, способ согласно изобретению обеспечивает получение довольно грубых и зернистых структур. Тем не менее, особенность этой полезной и весьма дешевой технологии заключается в возможности применения недорогих, широко распространенных исходных материалов технической чистоты для получения долговечной и конкурентоспособной последовательности фотогальванических слоев.
Промышленная применимость
Недостаток существующих последовательностей фотогальванических слоев и соответствующих производственных процессов состоит в сложности технологии и в необходимости применения дорогостоящих исходных материалов высокой чистоты для надежного обеспечения фотогальванической активности.
Таким образом, решаемая проблема заключается в устранении этих недостатков и в создании способа и последовательности фотогальванических слоев, получаемой таким способом, способных к надежному и длительному выполнению фотогальванической функции, при весьма низких производственных затратах.
Решение заключается в реакционном кондиционировании неорганических частиц в ходе печати при комнатной температуре. При этом поверхностное реакционное кондиционирование точно задает фотогальваническую активность, дает кинетически контролируемый продукт реакции и позволяет обеспечить желаемую фотогальваническую активность даже в случае исходных материалов технической чистоты порядка 97%.
Список позиционных обозначений для формулы изобретения
100 частицы
101 верхняя сторона
102 частицы, подвергнутые восстановительной обработке
103 частицы, подвергнутые окислительной обработке
200 реакционный раствор
201 слой отвержденного реакционного раствора
300 подложка
301 электрод подложки
302 граница (например, получаемая рельефной печатью)
400 верховой контакт
Список позиционных обозначений для описания
100 частицы
101 верхняя сторона
102 частицы, подвергнутые восстановительной обработке
103 частицы, подвергнутые окислительной обработке
200 реакционный раствор
201 слой отвержденного реакционного раствора
300 подложка
301 электрод подложки
302 граница (например, получаемая рельефной печатью)
400 верхний контакт
500 прибор для фотогальванических измерений
601 электрод обратной стороны
602 электрод обратной стороны в разрезе
603 токопроводящий слой (ТСО)
604 фотогальванически активный слой кремния (Si) с наружным токопроводящим слоем (ТСО) и наружным противоотражательным слоем (AR)
605 стеклянная подложка и верхняя сторона
606 шкала 5 мкм
701 частицы, кондиционированные реакционным раствором
702 отвержденный стекловидный аморфный реакционный раствор
703 шкала 20 мкм
801 фаза 1 матрицы, состоящей из двух взаимопроникающих фаз
802 фаза 2 матрицы, состоящей из двух взаимопроникающих фаз
803 частицы, зафиксированные в матрице
804 шкала 5 мкм
1. Способ изготовления последовательности фотогальванических слоев, в котором основные неорганические элементы обрабатывают при комнатной температуре с использованием водных растворов и водных дисперсий для получения путем печати завершенной последовательности фотогальванических слоев, с которой обеспечен контакт через электроды, характеризующийся тем, что включает в себя следующие этапы:
на этапе (а) полупроводниковые частицы SiC (100) технической чистоты с максимальным размером 30±15 мкм диспергируют в водном реакционном растворе (200), состоящем из подщелоченного гидроксидом натрия раствора диоксида кремния, при небольшом выделении газа, частично растворяют их за счет окисления и наносят на участки поверхности пленочной и/или бумажной подложки (300);
- на этапе (б) реакционный раствор (200) преобразуют с сокращением объема в слой (201) отвержденного реакционного раствора, в котором частицы (100) выступают за пределы слоя (201) отвержденного реакционного раствора, при этом их нижняя сторона закреплена в слое (201) реакционного раствора, а верхняя сторона выступает за пределы слоя (201) реакционного раствора;
- на этапе (в) верхнюю сторону частиц оснащают, по меньшей мере частично, верховым контактом (400).
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что на по меньшей мере одном дополнительном этапе частицы (100) кондиционируют путем окисления или восстановления на по меньшей мере одном участке поверхности, в результате чего образуются участки частиц (102), подвергнутых восстановительной обработке, или участки частиц (103), подвергнутых окислительной обработке.
3. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что на дополнительном этапе в непосредственном контакте с частицами (100) по меньшей мере одного участка поверхности, предпочтительно участка поверхности на верхней стороне, формируют наноразмерные структуры, содержащие по меньшей мере одну структуру, выбранную из группы, состоящей из цепочек, ячеек и ячеистых трубок.
4. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что смежные участки поверхности с частицами (100) кондиционируют с помощью различных растворов, образуя смежные участки с частицами (100) в чередующейся последовательности в виде участков частиц (102), подвергнутых восстановительной обработке, и участков частиц (103), подвергнутых окислительной обработке.
5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что на по меньшей мере одном дополнительном этапе сначала на плоский материал наносят электроды, включая по меньшей мере один электрод (301) подложки и/или слой верхнего контакта (400), а затем соединяют эти электроды на плоском материале с последовательностью фотогальванических слоев.
6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве подложки для последовательности фотогальванических слоев используют длинные плоские листы материала, предпочтительно листы пленки и/или листы бумаги, более предпочтительно, листы конопляной бумаги.
7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в нем используют измельченные, предпочтительно механически измельченные, частицы (100) крупностью не более 50 мкм, предпочтительно 30±15 мкм, более предпочтительно, от 0,5 мкм до 10 мкм.
8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что
- на этапе (а) в качестве полупроводниковых частиц используются частицы SiC (100) технической чистоты с максимальным размером 30±15 мкм, частицы диспергируют в водном реакционном растворе (200), состоящем из подщелоченного гидроксидом натрия раствора диоксида кремния, при небольшом выделении газа, частично растворяют их за счет окисления и наносят на участки поверхности пленочной и/или бумажной подложки (300) с предварительно нанесенным электродом (301) подложки и предпочтительно с дополнительно напечатанной границей (302);
- участки поверхности верхней стороны подвергают окислительной или восстановительной обработке, в результате чего образуются участки частиц (102), подвергнутых восстановительной обработке, или участки частиц (103), подвергнутых окислительной обработке, на которых, в свою очередь, образуют наноразмерные структуры, включая по меньшей мере одну структуру, выбранную из группы, состоящей из цепочек, ячеек, ячеистых трубок, предпочтительно цепочек углеродных нанотрубок и/или цепочек галогенов, находящиеся в непосредственном контакте с частицами (100) на по меньшей мере одном участке поверхности, и
- смежные участки поверхности с частицами (100) кондиционируют с помощью различных растворов, формируя смежные участки с частицами (100) в чередующейся последовательности в виде участков частиц (102), подвергнутых восстановительной обработке, и участков частиц (103), подвергнутых окислительной обработке,
- на этапе (б) верхнюю сторону частиц оснащают, по меньшей мере частично, верхним контактом (400), а подвергавшиеся чередующемуся кондиционированию участки поверхности с кондиционированными частицами (100) соединяют последовательно и подключают к конечным контактным электродам.
9. Способ п. 1, характеризующийся тем, что контактные электроды печатают и/или располагают на внутренней стороне покровной пленки, а полученную последовательность фотогальванических слоев ламинируют покровной пленкой для получения электрического контакта, выступающего из компаунда.
10. Последовательность фотогальванических слоев, полученная согласно способу по любому из предшествующих пунктов.
