PL229752B1 - Barwnikowe ogniwo fotowoltaiczne i sposób jego wytwarzania - Google Patents

Abstract

Ogniwo fotowoltaiczne charakteryzuje się tym, że materiał transportujący dziury stanowi wielowarstwowe pokrycie PVDF-HFP/MEH-PPV, natomiast półprzewodnikiem typu n oddalającym elektrony do zewnętrznego obwodu jest nanokrystaliczny tlenek cynku. Sposób wytworzenia ogniwa polega na tym, że nanosi się metodą atomowego osadzania warstw nanokrystaliczną warstwę ZnO o grubości 0,5 - 4µm na komercyjne podłoże szklane z warstwą TCO, przy czym warstwę ZnO wytwarza się przy użyciu prekursora dietylocynku oraz wody jako reagenta w temperaturze 200 - 400°C. Następnie nanosi się barwnik - komercyjny związek rutenu - przez zanurzenie płytki szklanej z naniesioną warstwą ZnO w ciekłym roztworze barwnika z alkoholem etylowym, po czym osadza się warstwy PVDF-HFP oraz MEH-PPV z roztworu metodą wirową z prędkością obrotową podłoża w zakresie 1000 - 5000 obr/min., a na tak przygotowaną strukturę wielowarstwową naparowuje się kontakty metaliczne.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wielowarstwowe ogniwo barwnikowe umożliwiające konwersję energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, stosowane w zintegrowanym budownictwie (BIPV) do produkcji półprzezroczystych szyb okiennych generujących prąd, a także sposób wytwarzania tego ogniwa.

III generacji ogniwa barwnikowe stanowią grupę ogniw, w której główną rolę odgrywa barwnik. Odkrywcami tego rodzaju ogniw są Brian O'Regan i Michael Gratzel. Ich zaletą jest niski koszt wytworzenia, a ich wysoka przezroczystość i różnorodne kolory sprawiają, że mogą pełnić rolę materiału budowlanego. Typowe ogniwo barwnikowe DSC lub DSSC (ang. Dye-sensitized Solar Cell) zbudowane jest z dwóch płytek szklanych, z warstwą przewodzącą ITO lub FTO, stanowiących elektrody. Na powierzchni katody znajduje się warstwa TiO2 pełniąca rolę półprzewodnika typu n, którego zadaniem jest przekazywanie elektronu do obwodu zewnętrznego. Szeroka przerwa energetyczna o wartości 3,2 eV, pozwala na absorbowanie jedynie promieniowania ultrafioletowego. Aby zwiększyć powierzchnię pochłaniania fotonów, warstwa TiO2 ma strukturę porowatą. Na ditlenek tytanu należy zaabsorbować barwnik, zwany inaczej sensybilizatorem, który pochłania fotony promieniowania elektromagnetycznego o energii 1,6-3,0 eV, czyli długości 400-800 nm. Typowymi materiałami stosowanymi jako barwniki organiczne w strukturze ogniw DSSC są związki rutenu. Zasadniczym problemem w funkcjonowaniu barwnikowych ogniw fotowoltaicznych jest konieczność stosowania w ich strukturze ciekłego elektrolitu. Odparowanie i wycieki ciekłego elektrolitu powodują obniżenie sprawności i stabilności pracy tych ogniw. Alternatywę w stosunku do ciekłego elektrolitu stanowią ciecze jonowe, elektrolity żelowe i polimerowe. Znane są próby zastosowania polimeru PVDF-HFP jako składnika polimerowego żelu zastępującego ciekły elektrolit zarówno z publikacji [1,2], jak i patentu [3]. Znane są również próby użycia polimeru MEH-PPV jako materiału transportującego dziury oraz składnika wielowarstwowych materiałów zastępujących ciekły elektrolit [4]. Udokumentowano próby wykorzystania tlenku cynku zarówno jako materiału półprzewodnikowego typu n [5, 6], jak i cienkiej transparentnej warstwy przewodzącej prąd elektryczny [7].

Wykonany przegląd zagadnienia (z ang. state of the art) wskazuje, że znane są przykłady zastosowania pojedynczo materiałów PVDF-HFP, MEH-PPV oraz ZnO w strukturze barwnikowych ogniw fotowoltaicznych, jednak nie opublikowano zastosowania tych materiałów jednocześnie i w przedstawionej poniżej konfiguracji.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na zwiększenie sprawności ogniwa dzięki wymuszeniu ruchu elektronu. Jest to możliwe przez odpowiednie dobranie materiałów do budowy ogniwa i ich poziomów energetycznych HOMO i LUMO. Zastąpienie ciekłego elektrolitu materiałem polimerowym przewodzącym prąd elektryczny powoduje wydłużenie stabilności pracy ogniwa.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat ogniwa.

Promieniowanie słoneczne 1 oświetla fotoelektrodę 2, którą stanowi płytka szklana z osadzoną warstwą TCO 3, a rolę materiału transportującego dziury pełni wielowarstwowe pokrycie PVDFHFP/MEH-PPV 4, natomiast rolę półprzewodnika typu n 6 oddającego elektrony do zewnętrznego obwodu przy użyciu metalowych elektrod 5 pełni nanokrystaliczny tlenek cynku z zaadsorbowanym barwnikiem.

Sposób wytworzenia barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego według wynalazku polega na tym, że nanosi się metodą atomowego osadzania warstw (z ang. atomic layer deposition - ALD) nanokrystaliczną warstwę ZnO o grubości 0,5-4 pm na komercyjne podłoże szklane z warstwą TCO, przy czym warstwę ZnO wytwarza się przy użyciu prekursora dietylocynku oraz wody jako reagenta w temperaturze 200-400°C, następnie nanosi się barwnik - komercyjny związek rutenu - przez zanurzenie płytki szklanej z naniesioną warstwą ZnO w ciekłym roztworze barwnika z alkoholem etylowym, po czym osadza się warstwy PVDF-HFP oraz MEH-PPV z roztworu metodą wirową z prędkością obrotową podłoża w zakresie 1000-5000 obr/min, a na tak przygotowaną strukturę wielowarstwową naparowuje się kontakty metaliczne

P r z y k ł a d

Na płytkę z warstwą ITO naniesiono metodą ALD, używając dietylocynku jako prekursora oraz wody jako reagenta, w temperaturze 300°C warstwę ZnO, ustawiając 1000 cykli, a następnie wygrzewano ją w temperaturze 400°C przez 20 min. Na płytkę szklaną z warstwą ZnO osadzono barwnik N3 przez zanurzenie jej w 3 χ 10^-3M roztworze barwnika z alkoholem etylowym o temperaturze 40°C i w czasie 4 godzin. Metodą wirową z prędkością 3000 obr/min osadzono w pierwszej kolejności warstwę

PL 229 752 Β1

PVDF-HFP, a następnie MEH-PPV, przy zadanym czasie obracania 30 sekund. Na tak przygotowane ogniwo nałożono srebrne kontakty elektryczne metodą naparowania termicznego.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Barwnikowe ogniwo fotowoltaiczne zawierające fotoelektrodę, elektrody, znamienne tym, że materiał transportujący dziury stanowi wielowarstwowe pokrycie PVDF-HFP/MEH-PPV 4, natomiast półprzewodnikiem typu n 6 oddalającym elektrony do zewnętrznego obwodu jest nanokrystaliczny tlenek cynku.
2. 2. Sposób wytworzenia barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego, znamienny tym, że nanosi się metodą atomowego osadzania warstw (z ang. atomie layerdeposition - ALD) nanokrystaliczną warstwę ZnO o grubości 0,5-4 pm na komercyjne podłoże szklane z warstwą TCO, przy czym warstwę ZnO wytwarza się przy użyciu prekursora dietylocynku oraz wody jako reagenta w temperaturze 200-400°C, następnie nanosi się barwnik - komercyjny związek rutenu - przez zanurzenie płytki szklanej z naniesioną warstwą ZnO w ciekłym roztworze barwnika z alkoholem etylowym, po czym osadza się warstwy PVDF-HFP oraz MEH-PPV z roztworu metodą wirową z prędkością obrotową podłoża w zakresie 1000-5000 obr/min, a na tak przygotowaną strukturę wielowarstwową naparowuje się kontakty metaliczne.