PL245794B1 - Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem - Google Patents

Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem Download PDF

Info

Publication number
PL245794B1
PL245794B1 PL435800A PL43580020A PL245794B1 PL 245794 B1 PL245794 B1 PL 245794B1 PL 435800 A PL435800 A PL 435800A PL 43580020 A PL43580020 A PL 43580020A PL 245794 B1 PL245794 B1 PL 245794B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
layer
silicon
stage
thickness
substrate
Prior art date
Application number
PL435800A
Other languages
English (en)
Other versions
PL435800A1 (pl
Inventor
Paweł Kwaśnicki
Original Assignee
Ml System Spolka Akcyjna
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ml System Spolka Akcyjna filed Critical Ml System Spolka Akcyjna
Priority to PL435800A priority Critical patent/PL245794B1/pl
Priority to EP21460037.1A priority patent/EP3993065A1/en
Priority to US17/510,511 priority patent/US11728455B2/en
Publication of PL435800A1 publication Critical patent/PL435800A1/pl
Publication of PL245794B1 publication Critical patent/PL245794B1/pl

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/128—Annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/19—Photovoltaic cells having multiple potential barriers of different types, e.g. tandem cells having both PN and PIN junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/143—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies comprising quantum structures
    • H10F77/1433—Quantum dots
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
    • H10F77/162—Non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in insulating materials
    • H10F77/164—Polycrystalline semiconductors
    • H10F77/1642—Polycrystalline semiconductors including only Group IV materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/30—Coatings
    • H10F77/306—Coatings for devices having potential barriers
    • H10F77/311—Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/70—Surface textures, e.g. pyramid structures
    • H10F77/703—Surface textures, e.g. pyramid structures of the semiconductor bodies, e.g. textured active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
    • H10F77/162—Non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
    • H10F77/162—Non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in insulating materials
    • H10F77/164—Polycrystalline semiconductors
    • H10F77/1642—Polycrystalline semiconductors including only Group IV materials
    • H10F77/1645—Polycrystalline semiconductors including only Group IV materials including microcrystalline silicon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych µ -tandemowych i ogniwo µ -tandemowe wytwarzane tym sposobem, który charakteryzuje się tym, że realizowany jest w pięciu następujących po sobie etapach, polegających na tym, że: w etapie pierwszym przygotowuje się koloid — materiał koloidalny na bazie zdyspergowanych kropek kwantowych o koncentracji 5 mg/ml — 50 mg/ml o architekturze sferoidalnej albo rodoidalnej zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy II - VI, II - IV, IV - VI i o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 320 nm — 1800 nm, po czym: w etapie drugim na płytkową powierzchnię podłoża krzemowego (1) z metalizowaną jej dolną powierzchnią (2) nakłada się równomiernie metodą spray coatingu albo metodą rollblade zdyspergowany materiał koloidalny (3) w otoczeniu pola elektrycznego „E” o natężeniu 0,5 V/m - 4,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach do powierzchni tego podłoża krzemowego, uzyskując grubość naniesionej warstwy wynoszącą 6 nm — 80 nm, po czym: w etapie trzecim płytkowe podłoże krzemowe (1) z naniesioną na niego warstwą materiału koloidalnego (3) krzemu multikrystalicznego i kropek kwantowych umieszcza się w komorze termicznej i poddaje się go procesowi obróbki cieplnej w temperaturze 70°C — 90°C z profilem temperaturowym 10°C/min oraz w atmosferze gazu inertnego i wygrzewa się w czasie 5 minut - 25 minut, po czym otrzymany półprodukt wyjmuje się z tej komory i pozostawia do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21°C), a następnie w etapie czwartym wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego poddaje się procesowi płukania przepływającym gazem inertnym pod ciśnieniem 0,6 bar — 1 bar o czystości 99,99% uzyskując warstwę pasywacyjną (5) o grubości 5 nm — 8 nm, po czym w etapie piątym półprodukt tego ogniwa poddaje się procesowi pokrywania go warstwą zabezpieczającą (6) tlenkiem aluminium (Al2O3), metodą magnetronową w temperaturze pokojowej.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem na bazie krystalicznych podłoży krzemowych modyfikowanych półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi.
Znane i stosowane powszechnie fotowoltaiczne ogniwa krzemowe są już bliskie teoretycznej granicy ich sprawności - limitu Shockley_Queisser’a wynoszącego ok. 33% i obecnie osiągają sprawność około 24%. Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności jest zastosowanie tandemowych grup ogniw PV, w których co najmniej dwa światłoczułe ogniwa lub warstwy PV są umieszczane jedna nad drugą. Różne komórki w tym przypadku idealnie różnią się pod względem czułości widmowej (na przykład różne komórki mają odpowiednią maksymalną wydajność dla różnych widmowych zakresów światła słonecznego). Skutkuje to tym, że tandemowa grupa komórek jako całość oferuje znacznie wyższą wydajność w szerszym zakresie widmowym. Taką tandemową grupę komórek może mieć na przykład konwencjonalne ogniwo PV na bazie krzemu, do którego dodaje się kolejne ogniwo PV na bazie perowskitu. Dzięki temu ogniwo fotowoltaiczne na bazie perowskitu charakteryzuje się wyższym współczynnikiem absorpcji w zakresie wyższych energii promieniowania elekromagnetycznego (EM) i przepuszcza światło o niższych energiach - krótsze fale elektromagnetyczne, natomiast ogniwo fotowoltaiczne na bazie krzemu absorbuje w większym stopniu fale EM o niższych energiach to jest dłuższe fale, tak że światło przepuszczane przez ogniwo lub warstwę perowskitu lub przynajmniej przez ich część jest absorbowane przez ognisko krzemowe.
Z podanej wyżej informacji wynika, że ogniwa tandemowe powstają po złożeniu kilku warstw absorbujących światło, a każda z nich absorbuje efektywnie w innych zakresach długości fali świetlnej, dzięki czemu są w stanie znacznie sprawniej niż tradycyjna fotowoltaika generować prąd elektryczny, przy czym nadal aktualnie większość modułów stanowią wersje krzemowe.
Kropki kwantowe to nanowymiarowe półprzewodniki o zerowej wymiarowości, w których ruch elektronów jest ograniczony we wszystkich trzech kierunkach, a energia elektronu jest skwantowana, przy czym kropki kwantowe są szczególnym typem nanocząsteczek, których charakterystyki są ściśle związane z ich rozmiarem. Im mniejsza jest średnica kropki kwantowej tym większa jest przerwa wzbroniona, pomiędzy wierzchołkiem pasma walencyjnego i dnem pasma przewodnictwa. Przykładowo im mniejsza jest średnica cząstek tym widmo emisyjne przesuwa się w stronę fal krótszych, a zjawisko to zostało nazwane kwantowym efektem rozmiaru (Quantum Size Effect). Nanocząstki są zatem klasą materiałów, których właściwości są definiowane przez cechy cząstek o rozmiarach mniejszych od około 100 nm. Zmiana kształtu oraz wielkości nanocząstek wpływa na takie właściwości jak: długość fali emisji, właściwości magnetyczne oraz transport ładunku w systemach półprzewodnikowych. Kluczowym elementem jest wykorzystanie nanocząstek w projektowaniu materiałów, których właściwości mogą być kontrolowane przez skalę wielkości nanocząstek, które mogą być użyte jako części składowe urządzeń oraz systemów funkcjonalnych wykorzystujących nowe technologie, korzystnie także w ogniwach słonecznych, instalacjach BIPV - w których kropki kwantowe jako sensybilizatory zaadsorbowane są na fotoelektrodzie. Do najczęściej syntetyzowanych kropek kwantowych należą struktury zbudowane z: CdSe, CdTe oraz CdSe/CdS a w skutek niewielkich ich rozmiarów 1 do 100 nm mają one dyskretne poziomy energetyczne podobne do występujących w atomach. Znane są ogniwa fotowoltaiczne (słoneczne) składające się z przewodzącej płytki szklanej i przeciwelektrody oraz z umieszczonej pomiędzy nimi fotoelektrody z TiO2 sensybilizowanej kropkami kwantowymi z elektrolitem. Znana jest także metoda otrzymywania cienkich jednorodnych warstw transparentnych o przewodnictwie elektronowym polegająca na rozpylaniu magnetronowym na powierzchnię szyby szklanej domieszkowanego tlenku cyny (SnO2).
Z opisu patentowego wynalazku WO2019200327A1 znane jest monolityczne tandemowe ogniwo fotowoltaiczne zawierające pierwszą elektrodę, sekcję pochłaniania światła CIGS na tej elektrodzie, warstwę łączącą ITO (tlenek cyny i indu) na sekcji pochłaniania światła CIGS oraz sekcję pochłaniającą światło perowskitu na tej warstwie łączącej, posiadającą polerowaną powierzchnię, na której jest utworzona sekcja pochłaniająca światło perowskitu, przy czym wspomniana warstwa łącząca zapewnia przewodzenie elektrycznie i optycznie przezroczyste połączenie pomiędzy wspomnianą sekcją pochłaniania światła CIGS i sekcją pochłaniania światła perowskitu.
Z opisu patentowego wzoru użytkowego nr CN210156403U znane jest laminowane ogniwo słoneczne składające się z jednorodnego, krystalicznego krzemu ogniwa słonecznego typu n opartego na strukturze PERC (ogniwo z pasywowanym emiterem z tylnym kontaktem) jako ogniwa dolnego oraz z perowskitowego ogniwa słonecznego z przezroczystą elektrodą jako ogniwa górnego. Struktura laminowanego ogniwa słonecznego składa się sekwencyjnie z metalowej elektrody dolnej, perforowanej warstwy pasywacyjnej elektrody dolnej, częściowej lub całkowicie domieszkowanej warstwy krzemu typu n, silnie domieszkowanego emitera typu p, warstwy pasywacyjnej emitera, warstwy tunelowej, warstwy transportującej elektrony i warstwy absorpcyjnej perowskitu. Ogniwo to oparte jest na głównym homozłączowym ogniwie słonecznym z krystalicznego krzemu PERC.
Znane z opisu patentowego amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2018374977A1 tandemowe ogniwo słoneczne składa się z górnego i dolnego ogniwa słonecznego. Górne ogniwo słoneczne i dolne ogniwo słoneczne mają odpowiednio przednią powierzchnię i tylną powierzchnię, przy czym odpowiednie przednie powierzchnie są przystosowane do zwrócenia się w stronę źródła promieniowania podczas użytkowania. Górne ogniwo słoneczne jest ułożone z tylną powierzchnią nad przednią powierzchnią dolnego ogniwa słonecznego. Górne ogniwo słoneczne zawiera fotowoltaiczną warstwę absorbera z pasmem wzbronionym większym niż w przypadku krzemu krystalicznego. Dolne ogniwo słoneczne zawiera krystaliczne podłoże krzemowe. Co najmniej na części przedniej powierzchni dolnego ogniwa słonecznego jest umieszczony stos warstw pasywujących, który zawiera cienką warstewkę dielektryczną i warstwę wtórną albo z materiału selektywnie usuwającego nośnik, albo z polikrzemu. Cienka warstewka dielektryczna jest umieszczona między podłożem krzemowym a warstwą wtórną.
Znane z opisu patentowego koreańskiego zgłoszenia patentowego KR20190129370A tandemowe ogniwo fotowoltaicznego o zwiększonej wydajności dzięki zwiększeniu gęstości prądu górnego ogniwa fotowoltaicznego i dolnego ogniwa fotowoltaicznego. To tandemowe ogniwo fotowoltaiczne zawiera: pierwsze ogniwo fotowoltaiczne i drugie ogniwo fotowoltaiczne o zróżnicowanych pasmach oraz warstwę pośrednią umieszczoną pomiędzy obu tymi ogniwami zawierającą podłoże z tlenku krzemu o składzie SiOx i domieszkowanego krzemu mikrokrystalicznego, łączące elektrycznie oba te ogniwa fotowoltaiczne w podłożu.
Znane jest również z opisu patentowego US 6346431 urządzenie oparte na kropkach kwantowych pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni oraz sposób jego wytwarzania. Urządzenie to stanowi diodę i ma strukturę warstwową, wykorzystującą kropki kwantowe, zwane samo-rosnącymi kropkami GaAs/InAs. Wytwarza się je w ten sposób, że na podłoże z arsenku galu nanosi się pierwszą warstwę zwilżającą z arsenku indu, a następnie warstwę arsenku galu mocno domieszkowaną indem Inx Ga (i-x) As, która na skutek niedopasowania sieciowego ulega samorzutnie przemianie na małe grudki nanometrowych rozmiarów nazywane kropkami kwantowymi samo-rosnącymi GaAs/InAs. Następnie nanosi się warstwę buforową, na którą nakłada się warstwę zaporową z niedomieszkowanego arsenku galowoglinowego w postaci Al(y)Ga(1-y)As. Po obu stronach struktury warstwowej nanosi się elektrody, z których każda jest wykonana na podłożu domieszkowanej warstwy kontaktowej, przy czym elektrody te połączone są ze źródłem zasiania. Emisja promieniowania podczerwonego (w bliskiej podczerwieni) zachodzi wówczas, gdy elektrody podłączy się do źródła zasilania (w układzie diody fotoluminescencyjnej), lub naświetli warstwę arsenku galu stanowiącą podłoże. W celu wytwarzania koherentnych fotonów wykorzystuje się tam ekscytony, tj. pary elektronowo dziurowe w samorosnących kropkach kwantowych, które wiążą równocześnie i elektrony i dziury, a w przypadku lasera ekscytonowego światło powstaje w wyniku rekombinacji promienistej pary elektron-dziura w kropce kwantowej. Energia fotonu jest wtedy rzędu przerwy wzbronionej półprzewodnika, co odpowiada promieniowaniu czerwonemu lub bliskiej podczerwieni dla kropek GaAs/InAs.
Z kolei, z polskiego opisu patentowego nr PL203033 znane jest urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni oraz sposób wytwarzania inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym w wąskiej studni kwantowej w heterostrukturze półprzewodnikowej. Istota urządzenia na kropkach kwantowych według tego wynalazku polega na tym, że struktura warstwowa jest osadzona pomiędzy metalowymi elektrodami, z których elektroda dolna wykonana jest w postaci warstwy przewodzącej ciągłej, natomiast elektroda górna jest wykonana w postaci warstwy metalowej perforowanej. Struktura warstwowa z elektrodami stanowi kondensator, w którym pomiędzy metalowymi elektrodami na podłożu ma naniesioną barierę dolną oraz barierę górną, przy czym pomiędzy barierami jest studnia kwantowa. Kształt i rozmiary otworków elektrody górnej, określają potencjał wiążący elektrony w małych nanometrowych obszarach studni kwantowej, które stanowią kropki kwantowe. Korzystnie podłoże wykonane jest z arsenku galowo-glinowego Al0.3Ga0.7As domieszkowanego chromem Cr, bariera dolna i górna z warstwy niedomieszkowanego arsenku galowo-glinowego w postaci Alo^GaojAs, natomiast studnia kwantowa z warstwy arsenku galu GaAs. W urządzeniu według tego wynalazku wykorzystuje się całkowicie inne kropki kwantowe, a mianowicie kropki kwantowe wytwarzane przy pomocy pola elektrycznego, tzn. przy pomocy elektrostatycznego ogniskowania elektronów w cienkiej studni kwantowej typu Ga(Al)As. Grubość studni jest rzędu 2 nm, co zapewnia, quasi-dwuwymiarowy ruch elektronów w studni. Wielowarstwową strukturę studni kwantowej wytwarza się w standardowy sposób, tzn. metodami epitaksji z wiązki molekularnej (MBI) nakłada się warstwy barier Al0.3Ga0.7As, między którymi znajduje się cienka warstwa GaAs. Na skutek przesunięć krawędzi pasm w obu materiałach warstwa GaAs tworzy studnię kwantową, do której spływają elektrony z dodatkowej warstwy Al0.3Ga0.7As domieszkowanej chromem Cr w stopniu zależnym od potrzeb gęstości elektronów w studni. Pod strukturą studni umieszcza się cienką ciągłą elektrodę metalową, zaś nad studnią umieszcza się elektrodę perforowaną wykonaną metodą litografii jonowej lub elektronowej z cienkiej warstwy metalowej. Elektrody te, po podłączeniu napięcia, elektrycznego, wytwarzają odpowiednio zmodulowany przestrzennie rozkład pola elektrycznego związany z perforacją górnej elektrody, prowadzący do bocznego potencjału wiążącego dla elektronów w studni kwantowej, który jest równocześnie potencjałem odpychającym dla dziur. W przeciwieństwie do kropek samo-rosnących, puste kropki zadawane polem elektrycznym wiążą, zatem tylko elektrony, a nie ekscytony. Z kolei istota sposobu nanoszenia inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym według tego wynalazku polega na tym, że cyklicznie włącza się i wyłącza napięciowy sygnał sterujący doprowadzony do elektrod, pomiędzy którymi jest umieszczona półprzewodnikowa heterostruktura z cienką studnią kwantową, w której przestrzennie zmodulowane pole elektryczne, elektrodą perforowaną, wiąże elektrony w małych obszarach kropek kwantowych, w wyniku czego uzyskuje się inwersję obsadzeń stanów elektronowych w tych kropkach. Po czym emituje się koherentne fotony w zakresie dalekiej podczerwieni, o długości fali odpowiadającej odległości energetycznej między stanami w kropkach kwantowych, przy czym napięciowy sygnał sterujący włącza się szybko i nieadiabatyczne. Sygnałem sterującym, którym włącza się i wyłącza cyklicznie matrycę kropek kwantowych, wytwarza się narastającą, liczbę koherentnych fotonów promieniowania podczerwonego w przestrzeni pomiędzy lustrami rezonatora optycznego aż do uzyskania w rezonatorze promieniowania koherentnego o pożądanej mocy.
Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr PL 231379 cienkowarstwowy konwenter promieniowania elektromagnetycznego oparty na strukturze quasizerowymiarowej kropek kwantowych. posiadający strukturę warstwową wyposażoną w elektrodę dodatnią i elektrodę ujemną. Konwenter ten składa się z dwóch zewnętrznych płytek szklanych o grubościach g = 0,5 - 4,0 mm, hartowanych termicznie lub wzmocnionych chemicznie metodą jonów w kąpieli solankowej, których powierzchnie wewnętrzne połączone są nierozłącznie z transparentnymi warstwami przewodzącymi z tlenków metali korzystnie TCO o grubości 400 - 600 nm, wyposażonymi na swych przeciwległych końcach w elektrodę dodatnią i elektrodę ujemną, przy czym z warstwą przewodzącą wraz z jej elektrodą dodatnią pierwszej płyty szklanej połączona jest nierozłącznie nanocząsteczkowa - półprzewodnikowa warstwa z dwutlenku tytanu TiO2 o grubości 500 - 2000 nm, a z nią połączona jest trwale metodą sprayów warstwa zerowymiarowych struktur kropek kwantowych o grubości 50 - 600 nm i o średnicy 2 - 12 nm typu QDs, na której osadzona jest również metodą sprayów wysokowydajna powłoka transportowa typu HTL o grubości 200 - 5000 nm wykonana z trwałego polimeru przewodzącego prąd elektryczny, korzystnie typu „PEDOT”, na której umieszczona jest elektroda ujemna wraz z warstwą przewodzącą, które połączone są z drugą płytą szklaną, której ścianki boczne są zlaminowane za pomocą folii laminacyjnej korzystnie typu „EVA” ze ściankami bocznymi obu warstw przewodzących, warstwy transportowej HTL warstwy kropek kwantowych QDs i warstwy półprzewodnikowej TiO2, oraz ze ściankami bocznymi pierwszej płytki szklanej tworząc monolityczny cienkowarstwowy konwerter promieniowania elektromagnetycznego.
Celem wynalazku jest opracowanie nowego sposobu wytwarzania ogniw fotowoltaicznych o architekturze μ-tandemów na bazie krystalicznych podłoży krzemowych i kropek kwantowych zapewniających zarówno efektywną i stabilną pracę całego układu tandemowego jak i wysoką absorpcję w zakresie spektralnym od UV do MIR oraz pracę w warunkach światła rozproszonego i padającego pod różnym kątem, pełniąc funkcję warstwy antyrefleksyjnej. Dalszym celem wynalazku jest opracowanie nowej konstrukcji ogniwa fotowoltaicznego μ-tandemowego na bazie warstw mikrokrystalicznego krzemu (Si) i warstwy nanometrycznych struktur półprzewodnikowych o architekturze core-shell’owej takiej, aby powstałe struktury pracowały, jako ogniwo tandemowe o charakterystyce mikroogniw, połączonych ze sobą w jej dolnej części.
Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych opartych na podłożach krzemowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że realizowany jest w czterech następujących po sobie etapach, polegających na tym, że:
- w etapie pierwszym na górną powierzchnię płytkowego podłoża krzemowego z pofałdowaną jej teksturą, wykonanego z mikrokryształów krzemu (Si) o rozmiarze ziaren krzemu multikrystalicznego < 1 μπ z metalizowaną jego dolną powierzchnią - elektrodą, nakłada się równomiernie materiał koloidalny o grubości wynoszącej 6 nm - 80 nm w postaci zdyspergowanych kropek kwantowych o koncentracji 5 mg/ml - 50 mg/ml, o architekturze sferoidalnej i ich średnicy wynoszącej poniżej 45 nm zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy II - IV albo o architekturze rodoidalnej i ich średnicy wynoszącej poniżej 120 nm, zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy IV - VI, w otoczeniu pola elektrycznego „E” o natężeniu 0,5 V/m 4,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach do powierzchni podłoża krzemowego oraz o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 320 nm - 1800 nm, przy czym materiał koloidalny na bazie toulenu albo wody nakłada się metodą spray coatingu za pomocą dysz natryskowych, dozujących ten materiał z wykorzystaniem ultradźwiękowego procesu rozbijania cząstek tego materiału z częstotliwością wynoszącą 1800 MHz - 2000 MHz tak, że wytworzony jego strumień ma zasadniczo kształt stożka o kącie rozwarcia wynoszącym od 115° - 120°, zaś wydajność natrysku tych dysz wynosi od 250 ml/dobę - 800 ml/dobę otrzymując warstwę materiału koloidalnego o grubości wynoszącej 6 nm - 80 nm natomiast materiał koloidalny na bazie kwasu oleinowego nakłada się metodą rollblade za pomocą ostrza z materiału dielektrycznego, które na całej długości zwilża się koloidem z kropkami kwantowymi, a szybkość przesuwu tego ostrza po powierzchni podłoża krzemowego wynosi od 30 cm/min - 100 cm//min, a jego wysokość nad powierzchnią tego podłoża nie przekracza 1,5 mm, zaś proces tej depozycji realizuje się pod ciśnieniem atmosferycznym w atmosferze gazu inertnego o czystości 99,9%, otrzymując warstwę materiału koloidalnego o grubości wynoszącej 25 nm, po czym
- w etapie drugim płytkowe podłoże krzemowe z naniesioną na jego górną, pofałdowaną powierzchnię warstwą materiału koloidalnego umieszcza się w komorze termicznej i poddaje się go procesowi obróbki cieplnej w czasie 5 minut - 25 minut w temperaturze 70°C - 90°C z profilem temperaturowym 10°C/min oraz w atmosferze gazu intertnego, podczas której z materiału koloidalnego odparowuje się toulen albo wodę albo kwas oleinowy i otrzymuje się półprodukt w postaci płytkowego podłoża krzemowego z naniesioną na jego górną, pofałdowaną powierzchnię warstwą nanokryształów półprzewodnikowych, po czym półprodukt ten wyjmuje się z komory i pozostawia do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21 °C), a następnie
- w etapie trzecim wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego otrzymany w etapie drugim poddaje się procesowi płukania przepływającym gazem inertnym pod ciśnieniem 0,6 bar - 1 bar o czystości 99,99% uzyskując osadzoną na warstwie nanokryształów półprzewodnikowych warstwę pasywacyjną o grubości 5 nm - 8 nm, po czym
- w etapie czwartym półprodukt tego ogniwa otrzymany w etapie drugim z osadzoną na nim w etapie trzecim warstwą pasywacyjną poddaje się procesowi pokrywania go warstwą zabezpieczającą z tlenku aluminium (AI2O3), metodą magnetronową w temperaturze pokojowej tak, że osadzony materiał dostarcza się w postaci targetu źródłowego AbO3 o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C oraz przy ciśnieniu ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, natomiast proces magnetronowego osadzania warstwy zabezpieczającej polega na nanoszeniu na tej modyfikowanej powierzchni podłoża materiału zbudowanego z rozpylonych w polu magnetycznym jonów pochodzących z powierzchni targetu źródłowego wykorzystując w tym procesie oddziaływanie naładowanych cząstek z polem magnetycznym, zaś strumień jonów generowany jest w wyniku bombardowania powierzchni tego targetu cząstkami zjonizowanego gazu - argonu powstałego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchnie nośnika i źródła otrzymując warstwę zabezpieczającą stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 100 nm - 380 nm i współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie poniżej 5%.
Korzystnym jest, gdy jako gaz intertny stosuje się argon lub azot.
Korzystnym jest, gdy dysze natryskowe rozstawione są naprzeciw siebie na szerokości 13 cm 15 cm i na wysokości wynoszącej 4 cm - 5 cm nad podłożem krzemowym.
Korzystnym jest także, gdy ostrze wykorzystane w metodzie rollblade wykonane jest z materiału dielektrycznego typu szkło lub ceramika.
Ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe o podłożu krzemowym według wynalazku charakteryzuje się tym, że stanowi go płytkowe podłoże krzemowe wykonane z mikrokryształów krzemu (Si) o rozmiarze ziaren krzemu multikrystalicznego < 1 μm, którego dolna płaska powierzchnia posiada metalizowaną warstwę - elektrodę oraz połączona nierozłącznie z górną pofałdowaną powierzchnią tego podłoża krzemowego warstwa zdyspergowanego materiału koloidalnego w postaci półprzewodnikowych kropek kwantowych o architekturze sferoidalnej albo rodoidalnej o grubości wynoszącej 6 nm - 80 nm, na której górnej powierzchni osadzona jest połączona z nią nierozłącznie warstwa pasywacyjna o grubości wynoszącej od 5 nm - 8 nm, która pokryta jest połączoną z nią nierozłącznie warstwą zabezpieczającą o grubości 100 nm - 380 nm wykonaną z tlenku aluminium (AI2O3) o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C dla ciśnienia ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, i o współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie poniżej 5%.
Wytworzone sposobem według wynalazku ogniwa fotowoltaiczne μ-tandemowe na bazie krystalicznych podłoży krzemowych i kropek kwantowych zapewniają zarówno efektywną i stabilną pracę całego układu tandemowego jak i wysoką absorpcję w zakresie spektralnym od UV do MIR oraz pracę w warunkach światła rozproszonego i padającego pod różnym kątem, pełniąc funkcję warstwy antyrefleksyjnej.
Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładowych opisach sposobu wytwarzania ogniwa fotowoltaicznego μ-tandemowego oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe w widoku perspektywicznym, fig. 2 - schemat budowy kropki kwantowej o architekturze core-shell’ sferoidalnej w widoku z góry, fig. 3 - schemat budowy kropki kwantowej o architekturze core-shell’ rodoidalnej w widoku z góry, a fig. 4 - schemat orientacji linii pola elektrycznego w czasie prowadzenia procesu nakładania na płytkową powierzchnię podłoża mikrokrzemowego zdyspergowanego materiału koloidalnego.
Przykład 1
Jak pokazano na rysunku fig. 1 - 4 sposób wytwarzania ogniwa fotowoltaicznego μ-tandemowego realizowany był w czterech następujących po sobie etapach, polegających na tym, że:
- w etapie pierwszym na górną powierzchnię płytkowego podłoża krzemowego 1 z pofałdowaną jej teksturą, wykonanego z mikrokryształów krzemu Si o rozmiarze ziaren krzemu multikrystalicznego wynoszącym 0,99 μm z metalizowaną jej dolną powierzchnią 2 - ujemną elektrodą, nakładano równomiernie metodą spray coatingu zdyspergowany materiał koloidalny 3 na bazie toulenu w postaci zdyspergowanych kropek kwantowych o koncentracji 5 mg/ml, o architekturze sferoidalnej i o średnicy wynoszącej poniżej 45 nm, zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy II - IV, w otoczeniu pola elektrycznego „E” o natężeniu 0,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach 4 do powierzchni podłoża krzemowego 1 oraz o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 320 nm - 450 nm, przy czym proces depozycji tych koloidalnych kropek kwantowych realizowano metodą spray za pomocą natryskowych dysz rozstawionych naprzeciw siebie na szerokości 13 cm i o wysokości nad tym podłożem krzemowym 1 wynoszącym 5 cm. Dysze te dozowały materiał koloidalny 3 w postaci mikrokropek z wykorzystaniem ultradźwiękowego procesu rozbijania cząstek tego koloidu o częstotliwości wynoszącej 1800 MHz tak, że wytworzony jego strumień miał kształt stożka o kącie rozwarcia 115°, a grubość warstwy tego zdyspergowanego materiału koloidalnego 3 wynosiła 6 nm, zaś wydajność tego natrysku wynosiła 250 ml/dobę, po czym
- w etapie drugim płytkowe podłoże krzemowe 1 z naniesioną na niego warstwą materiału koloidalnego 3 umieszczono w komorze termicznej i poddano go procesowi obróbki cieplnej w czasie 5 minut, w temperaturze do 70°C z profilem temperaturowym 10° C/min oraz w atmosferze gazu intertnego - argonu, podczas której dokonano odparowania toluenu zawartego w materiale koloidalnym 3, w wyniku czego na powierzchni naniesionej na płytkowe podłoże krzemowe 1 warstwy materiału koloidalnego 3 pozostawały tylko nanokryształy półprzewodnikowe, po czym otrzymany półprodukt wyjęto z tej komory i pozostawiono do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21°C), a następnie
- w etapie trzecim tak otrzymany i wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego poddano procesowi płukania przepływającym gazem inertnym - azotem o czystości 99,99% pod ciśnieniem 0,8 bar uzyskując warstwę pasywacyjną 5 o grubości 5 nm zabezpieczającą struktury mikrowymiarowe i pozwalającą na depozycję tej warstwy zabezpieczającej, która zbudowana była z takich samych kropek kwantowych, do których przyłączone zostały atomy H2, zapewniając stabilność chemiczną, po czym
- w etapie czwartym półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego z naniesioną na niego strukturą trwale połączonych kropek kwantowych z mikrokrystalitami krzemu Si z warstwą pasywacyjną 5 poddano procesowi pokrywania go górną warstwą zabezpieczającą 6 tlenkiem aluminium (AI2O3) metodą magnetronową w temperaturze pokojowej polegającą na tym, że osadzony materiał dostarczono w postaci targetu źródłowego AbO3 o czystości 99,8% i temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C, dla ciśnienia ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, przy czym proces magnetronowego osadzania warstwy zabezpieczającej 6 polegał na nanoszeniu na tej modyfikowanej powierzchni podłoża materiału zbudowanego z rozpylonych w polu magnetycznym jonów pochodzących z powierzchni tego targetu źródłowego wykorzystując w tym procesie oddziaływanie naładowanych cząstek z polem magnetycznym, zaś strumień jonów generowany był w wyniku bombardowania powierzchni tego targetu cząstkami zjonizowanego gazu - argonu powstałego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchnie nośnika i źródła, otrzymując warstwę zabezpieczającą 6 stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 100 nm i współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie 4,5%.
Przykład 2
Jak pokazano na rysunku fig. 1 - 4 sposób wytwarzania ogniwa fotowoltaicznego μ-tandemowego realizowany był również w czterech następujących po sobie etapach, polegających na tym, że:
- w etapie pierwszym na górną powierzchnię płytkowego podłoża krzemowego 1 z pofałdowaną jej teksturą, wykonanego z mikrokryształów krzemu Si o rozmiarze ziaren krzemu mulitikrystalicznego wynoszącym 0,5 μm z metalizowaną jej dolną powierzchnią 2 - elektrodą ujemną nakładano równomiernie metodą spray coatingu zdyspergowany materiał koloidalny 3 na bazie wody w postaci zdyspergowanych kropek kwantowych o koncentracji 50 mg/ml, o architekturze sferoidalnej i o średnicy wynoszącej poniżej 45 nm zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy II - IV, w otoczeniu pola elektrycznego „E” o natężeniu 4,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach 4 do powierzchni podłoża krzemowego 1 oraz o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 450 nm - 850 nm, przy czym proces depozycji tych koloidalnych kropek kwantowych realizowany był metodą spray coatingu za pomocą natryskowych dysz rozstawionych naprzeciw siebie na szerokości 15 cm i o wysokości nad tym podłożem krzemowym 1 wynoszącym 4 cm. Dysze te dozowały materiał koloidalny w postaci mikrokropek z wykorzystaniem ultradźwiękowego procesu rozbijania cząstek tego koloidu o częstotliwości wynoszącej 2000 MHz tak, że wytworzony jego strumień miał kształt stożka o kącie rozwarcia 120°, a grubość warstwy tego zdyspergowanego materiału koloidalnego 3 wynosiła 80 nm, zaś wydajność tego natrysku wynosiła 800 ml/dobę, po czym
- w etapie drugim płytowe podłoże krzemowe 1 z naniesioną na niego warstwą materiału koloidalnego 3 umieszczono w komorze termicznej i poddano go procesowi obróbki cieplnej w temperaturze 90°C z profilem temperaturowym 10°C/min oraz w atmosferze gazu intertnego - azotu i wygrzewano w czasie 25 minut, podczas której dokonano odparowania wody zawartej w materiale koloidalnym 3 w wyniku, czego na powierzchni naniesionej na płytkowe podłoże krzemowe 1 warstwy materiału koloidalnego 3 pozostawały tylko nanokryształy półprzewodnikowe, po czym otrzymany półprodukt wyjęto z tej komory i pozostawiono do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21°C), a następnie
- w etapie trzecim tak otrzymany i wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego poddano procesowi płukania przepływającym gazem inertnym - argonem o czystości 99,99% pod ciśnieniem 1 bar uzyskując warstwę pasywacyjną 5 o grubości 6 nm zabezpieczającą struktury mikrowymiarowe i pozwalającą na depozycję tej warstwy zabezpieczającej, która zbudowana była z takich samych kropek kwantowych, do których przyłączone zostały atomy H2, zapewniając stabilność chemiczną, po czym
- w etapie czwartym półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego z naniesioną na niego strukturą trwale połączonych kropek kwantowych z mikrokrystalitami krzemu Si z warstwą pasywacyjną 5 poddano procesowi pokrywania go górną warstwą zabezpieczającą 6 tlenkiem aluminium (AI2O3) metodą magnetronową w temperaturze pokojowej polegającą na tym, że osadzony materiał dostarczono w postaci targetu źródłowego AbO3 o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C, dla ciśnienia ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, przy czym proces magnetronowego osadzania warstwy zabezpieczającej 6 polegał na nanoszeniu na tej modyfikowanej powierzchni podłoża materiału zbudowanego z rozpylonych w polu magnetycznym jonów pochodzących z powierzchni tego targetu źródłowego wykorzystując w tym procesie oddziaływanie naładowanych cząstek z polem magnetycznym, zaś strumień jonów generowany był w wyniku bombardowania powierzchni tego targetu cząstkami zjonizowanego gazu - argonu powstałego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchnie nośnika i źródła otrzymując warstwę zabezpieczającą stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 380 nm i współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie 4,99%.
Przykład 3
Jak pokazano na rysunku fig. 1 - 4 sposób wytwarzania ogniwa fotowoltaicznego μ-tandemowego realizowany był także w czterech następujących po sobie etapach, polegających na tym, że:
- w etapie pierwszym na górną powierzchnię płytkowego podłoża krzemowego 1 z pofalowaną jej strukturą wykonanego z mikrokryształów krzemu Si o rozmiarze ziaren krzemu mulitikrystalicznego wynoszącym 0,7 μm z metalizowaną jej dolną powierzchnią 2 - elektrodą ujemną, nakładano równomiernie metodą rollblade zdyspergowany materiał koloidalny 3 sporządzony na bazie kwasu oleinowego, o koncentracji kropek kwantowych 25 mg/ml o architekturze rodoidalnej (pręcikowej) o ich średnicy wynoszącej poniżej 120 nm, zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy IV - VI i o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 850 nm do 1800 nm, w otoczeniu pola elektrycznego o natężeniu „E” wynoszącym 2,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach 4 do powierzchni tego podłoża krzemowego, przy czym proces depozycji tych rodoidalnych kropek kwantowych realizowany był metodą rollblade, wykorzystując ostrze z materiału dielektrycznego typu szkło, które na całej jego długości zwilżono koloidem z kropkami kwantowymi, a szybkość przesuwu ostrza po powierzchni podłoża krzemowego 1 wynosiła 30 cm/min, a jego wysokość nad powierzchnią tego podłoża nie przekraczała 1,5 mm, zaś proces depozycji realizowano pod ciśnieniem atmosferycznym w atmosferze argonu jako gazu inertnego o czystości 99,9% uzyskując grubość warstwy zdyspergowanego materiału koloidalnego 3 wynoszącą 25 nm, po czym
- w etapie drugim płytkowe podłoże krzemowe 1 z naniesioną na niego warstwą materiału koloidalnego 3 umieszczono w komorze termicznej i poddano procesowi obróbki cieplnej w czasie 15 minut i w temperaturze 75°C z profilem temperaturowym 10°C/min oraz w atmosferze gazu intertnego argonu, podczas której dokonano odparowania kwasu oleinowego zawartego w materiale koloidalnym 3, w wyniku czego na powierzchni naniesionej na płytkowe podłoże krzemowe 1 warstwy materiału koloidalnego 3 pozostawały tylko nanokryształy półprzewodnikowe, po czym otrzymany półprodukt wyjęto z tej komory i pozostawiono do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21°C), a następnie
- w etapie trzecim tak otrzymany i wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego poddano procesowi płukania przepływającym gazem inertnym - argonem o czystości 99,99% pod ciśnieniem 0,6 bar uzyskując warstwę pasywacyjną o grubości 8 nm zabezpieczającą struktury mikrowymiarowe i pozwalającą na depozycję tej warstwy zabezpieczającej, która zbudowana była z takich samych kropek kwantowych, do których przyłączone zostały atomy H2, zapewniając stabilność chemiczną, po czym
- w etapie czwartym półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego z naniesioną na niego strukturą trwale połączonych kropek kwantowych z mikrokrystalitami krzemu Si z warstwą pasywacyjną 5 poddano procesowi pokrywania go górną warstwą zabezpieczającą 6 tlenkiem aluminium (Al2O3) - metodą magnetronową w temperaturze pokojowej polegającą na tym, że osadzony materiał dostarczono w postaci targetu źródłowego AbO3 o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C, przy ciśnieniu ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej
3,97 g/cc ± 10%, przy czym proces magnetronowego osadzania warstwy polegał na nanoszeniu na tej modyfikowanej powierzchni podłoża materiału zbudowanego z rozpylonych w polu magnetycznym jonów pochodzących z powierzchni tego targetu źródłowego wykorzystując w tym procesie oddziaływanie naładowanych cząstek z polem magnetycznym, zaś strumień jonów generowany był w wyniku bombardowania powierzchni targetu cząstkami zjonizowanego gazu - argonu powstałego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchnie nośnika i źródła otrzymując warstwę zabezpieczającą 6 stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 150 nm i współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie 4,8%.
W odmianie wykonania ogniwa fotowoltaicznego opisanego w przykładzie 3 w drugim jego etapie szybkość przesuwu ostrza po powierzchni podłoża krzemowego 1 wynosiła 100 cm/min, natomiast do prowadzenia procesu metodą rollblade stosowano ostrze ceramiczne, zaś w etapie czwartym warstwę pasywacyjną 5 pokryto warstwą zabezpieczającą 6 tlenkiem aluminium (Al.OO stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 380 nm.
Przykład 4
Wykonane sposobem opisanym w przykładzie pierwszym ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe jak pokazano na rysunku fig. 1 składa się z płytkowego podłoża krzemowego 1 wykonanego z mikrokryształów krzemu Si o rozmiarze ziaren krzemu mulitikrystalicznego wynoszącym 0,9 μm, którego dolna płaska powierzchnia posiadała metalizowaną warstwę 2 spełniającą funkcję elektrody ujemnej, a jego górna powierzchnia z pofałdowaną teksturą połączona była metodą spray coatingu z warstwą zdyspergowanego materiału koloidalnego 3 w postaci półprzewodnikowych kropek kwantowych o architekturze sferoidalnej i o grubości 6 nm, która połączona była metodą płukania azotem o czystości 99,99% jako gazem intertnym z warstwą pasywacyjną 5 o grubości 5 nm zbudowaną z takich samych kropek kwantowych, która z kolei osłonięta była połączoną z nią metodą magnetronową warstwą zabezpieczającą 6 o grubości 100 nm wykonaną z tlenku aluminium (Al.OO o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C przy ciśnieniu ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, i o współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie 4,5%.
P rzy kła d 5
Wykonane sposobem opisanym w przykładzie trzecim ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe jak pokazano na rysunku fig. 1 składało się z płytkowego podłoża krzemowego 1 wykonanego z mikrokryształów krzemu Si o rozmiarze ziaren krzemu mulitikrystalicznego wynoszącym 0,7 μm, którego dolna płaska powierzchnia posiadała metalizowaną warstwę 2 spełniającą funkcję elektrody ujemnej, a jego górna powierzchnia z pofałdowaną teksturą połączona była metodą spray rollblade z warstwą zdyspergowanego materiału koloidalnego 3 w postaci półprzewodnikowych kropek kwantowych o architekturze rodoidalnej i o grubości 80 nm, która połączona była metodą płukania argonem o czystości 99,99% jako gazem intertnym z warstwą pasywacyjną 5 o grubości 8 nm zbudowaną z takich samych kropek kwantowych, która z kolei osłonięta była połączoną z nią metodą magnetronową warstwą zabezpieczającą 6 o grubości 380 nm wykonaną z tlenku aluminium (Al.OO o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C przy ciśnieniu ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, i o współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie 4,99%.

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych o podłożach krzemowych, wyposażonych w warstwę w postaci kropek kwantowych, znamienny tym, że realizowany jest w czterech następujących po sobie etapach, polegających na tym, że:
- w etapie pierwszym na górną powierzchnię płytkowego podłoża krzemowego (1) z pofałdowaną jej teksturą, wykonanego z mikrokryształów krzemu (Si) o rozmiarze ziaren krzemu multikrystalicznego < 1 μm z metalizowaną jego dolną powierzchnią (2) - elektrodą, nakłada się równomiernie materiał koloidalny (3) o grubości wynoszącej 6 nm - 80 nm w postaci zdyspergowanych kropek kwantowych o koncentracji 5 mg/ml - 50 mg/ml, o architekturze sferoidalnej i ich średnicy wynoszącej poniżej 45 nm zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy II - IV albo o architekturze rodoidalnej i ich średnicy wynoszącej poniżej 120 nm, zbudowanych na bazie pierwiastków z grupy IV - VI, w otoczeniu pola elektrycznego „E” o natężeniu 0,5 V/m - 4,5 V/m o prostopadle usytuowanych jego liniach (4) do powierzchni podłoża krzemowego (1) oraz o zakresie absorpcyjnym wynoszącym od 320 nm - 1800 nm, przy czym materiał koloidalny (3) na bazie toulenu albo wody nakłada się metodą spray coatingu za pomocą dysz natryskowych, dozujących ten materiał z wykorzystaniem ultradźwiękowego procesu rozbijania cząstek tego materiału z częstotliwością wynoszącą 1800 MHz 2000 MHz tak, że wytworzony jego strumień ma zasadniczo kształt stożka o kącie rozwarcia wynoszącym od 115° - 120°, zaś wydajność natrysku tych dysz wynosi od 250 ml/dobę 800 ml/dobę otrzymując warstwę materiału koloidalnego (3) o grubości wynoszącej 6 nm 80 nm, natomiast materiał koloidalny (3) na bazie kwasu oleinowego nakłada się metodą rollblade za pomocą ostrza z materiału dielektrycznego, które na całej długości zwilża się koloidem z kropkami kwantowymi, a szybkość przesuwu tego ostrza po powierzchni podłoża krzemowego (1) wynosi od 30 cm/min - 100 cm/min, a jego wysokość nad powierzchnią tego podłoża nie przekracza 1,5 mm, zaś proces tej depozycji realizuje się pod ciśnieniem atmosferycznym w atmosferze gazu inertnego o czystości 99,9%, otrzymując warstwę materiału koloidalnego (3) o grubości wynoszącej 25 nm, po czym
- w etapie drugim płytkowe podłoże krzemowe (1) z naniesioną na jego górną, pofałdowaną powierzchnię warstwą materiału koloidalnego (3) umieszcza się w komorze termicznej i poddaje się go procesowi obróbki cieplnej w czasie 5 minut - 25 minut w temperaturze 70°C 90°C z profilem temperaturowym 10°C/min oraz w atmosferze gazu intertnego, podczas której z materiału koloidalnego (3) odparowuje się toulen albo wodę albo kwas oleinowy i otrzymuje się półprodukt w postaci płytkowego podłoża krzemowego (1) z naniesioną na jego górną, pofałdowaną powierzchnię warstwą nanokryształów półprzewodnikowych, po czym półprodukt ten wyjmuje się z komory i pozostawia do jego wystudzenia do temperatury pokojowej (21°C), a następnie
- w etapie trzecim wystudzony półprodukt tego ogniwa fotowoltaicznego otrzymany w etapie drugim poddaje się procesowi płukania przepływającym gazem inertnym pod ciśnieniem 0,6 bar - 1 bar o czystości 99,99% uzyskując osadzoną na warstwie nanokryształów półprzewodnikowych warstwę pasywacyjną (5) o grubości 5 nm - 8 nm, po czym
- w etapie czwartym półprodukt tego ogniwa otrzymany w etapie drugim z osadzoną na nim w etapie trzecim warstwą pasywacyjną (5) poddaje się procesowi pokrywania go warstwą zabezpieczającą (6) z tlenku aluminium (AbOa), metodą magnetronową w temperaturze pokojowej tak, że osadzony materiał dostarcza się w postaci targetu źródłowego AbOa o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C oraz przy ciśnieniu ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, natomiast proces magnetronowego osadzania warstwy zabezpieczającej (6) polega na nanoszeniu na tej modyfikowanej powierzchni podłoża materiału zbudowanego z rozpylonych w polu magnetycznym jonów pochodzących z powierzchni targetu źródłowego wykorzystując w tym procesie oddziaływanie naładowanych cząstek z polem magnetycznym, zaś strumień jonów generowany jest w wyniku bombardowania powierzchni tego targetu cząstkami zjonizowanego gazu - argonu powstałego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchnie nośnika i źródła otrzymując warstwę zabezpieczającą stanowiącą górną powłokę tego ogniwa o grubości 100 nm 380 nm i współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie poniżej 5%.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gaz intertny stosuje się argon.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gaz intertny stosuje się azot.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dysze natryskowe rozstawione są naprzeciw siebie na szerokości 13 cm - 15 cm i na wysokości wynoszącej 4 cm - 5 cm nad podłożem krzemowym (1).
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ostrze wykorzystane w metodzie rollblade wykonane jest z materiału dielektrycznego typu szkło lub ceramika.
6. Ogniwo fotowoltaiczne μ-tandemowe o podłożu krzemowym, znamienne tym, że stanowi go płytkowe podłoże krzemowe (1) wykonane z mikrokryształów krzemu (Si) o rozmiarze ziaren krzemu multikrystalicznego < 1 μm, którego dolna płaska powierzchnia posiada metalizowaną warstwę (2) - elektrodę oraz połączona nierozłącznie z górną pofałdowaną powierzchnią tego
PL 245794 Β1 podłoża krzemowego (1) warstwa zdyspergowanego materiału koloidalnego (3) w postaci półprzewodnikowych kropek kwantowych o architekturze sferoidalnej albo rodoidalnej o grubości wynoszącej 6 nm - 80 nm, na której górnej powierzchni osadzona jest połączona z nią nierozłącznie warstwa pasywacyjna (5) o grubości wynoszącej od 5 nm - 8 nm, która pokryta jest połączoną z nią nierozłącznie warstwą zabezpieczającą (6) o grubości 100 nm - 380 nm wykonaną z tlenku aluminium (AI2O3) o czystości 99,8%, temperaturze topnienia wynoszącej 2072°C dla ciśnienia ewaporacji 10-4 Torr wartości temperatury topnienia wynoszącej 1550°C oraz gęstości materiału źródłowego wynoszącej 3,97 g/cc ± 10%, i o współczynniku absorpcji w zakresie VIS na poziomie poniżej 5%.
PL435800A 2020-10-29 2020-10-29 Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem PL245794B1 (pl)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL435800A PL245794B1 (pl) 2020-10-29 2020-10-29 Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem
EP21460037.1A EP3993065A1 (en) 2020-10-29 2021-10-20 Method of manufacturing tandem photovoltaic cells and tandem photovoltaic cell produced by this method
US17/510,511 US11728455B2 (en) 2020-10-29 2021-10-26 Method of manufacturing μ-tandem photovoltaic cells and μ-tandem photovoltaic cell produced by this method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL435800A PL245794B1 (pl) 2020-10-29 2020-10-29 Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL435800A1 PL435800A1 (pl) 2022-05-02
PL245794B1 true PL245794B1 (pl) 2024-10-14

Family

ID=78806443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL435800A PL245794B1 (pl) 2020-10-29 2020-10-29 Sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych μ-tandemowych i ogniwo μ-tandemowe wytwarzane tym sposobem

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11728455B2 (pl)
EP (1) EP3993065A1 (pl)
PL (1) PL245794B1 (pl)

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2374557A1 (fr) 1976-12-16 1978-07-13 Ferodo Sa Embrayage a double disque de friction
PL231379A1 (pl) 1981-06-29 1982-04-13 Boleslaw Lason
US4536607A (en) * 1984-03-01 1985-08-20 Wiesmann Harold J Photovoltaic tandem cell
US5211761A (en) * 1990-06-29 1993-05-18 Sanyo Electric Co., Ltd. Photovoltaic device and manufacturing method thereof
JP2938634B2 (ja) * 1991-10-08 1999-08-23 キヤノン株式会社 太陽電池モジュール
JP2756050B2 (ja) * 1992-03-03 1998-05-25 キヤノン株式会社 光起電力装置
US6346431B1 (en) 2000-07-10 2002-02-12 Lg Electronics Inc. Quantum dot infrared detection device and method for fabricating the same
JP2003069061A (ja) * 2001-08-24 2003-03-07 Sharp Corp 積層型光電変換素子
EP1443527A4 (en) * 2001-10-19 2007-09-12 Asahi Glass Co Ltd SUBSTRATE WITH TRANSPARENT CONDUCTIVE OXIDE FILM AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF AND PHOTOELECTRIC IMPLEMENTATION ELEMENT
EP2469605A3 (en) * 2004-02-20 2014-03-05 Sharp Kabushiki Kaisha Substrate for photoelectric conversion device, photoelectric conversion device, and stacked photoelectric conversion device
JP5286046B2 (ja) * 2007-11-30 2013-09-11 株式会社半導体エネルギー研究所 光電変換装置の製造方法
KR101254318B1 (ko) * 2008-09-12 2013-04-15 가부시키가이샤 아루박 태양전지 및 태양전지의 제조방법
KR101294770B1 (ko) * 2008-11-25 2013-08-08 현대중공업 주식회사 양자점 태양전지
JP5582638B2 (ja) * 2010-02-25 2014-09-03 独立行政法人産業技術総合研究所 太陽電池
US20130206219A1 (en) * 2010-08-06 2013-08-15 Juanita N. Kurtin Cooperative photovoltaic networks and photovoltaic cell adaptations for use therein
CN101976710A (zh) * 2010-10-15 2011-02-16 上海交通大学 基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法
NL2015987B1 (en) 2015-12-18 2017-07-10 Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland Tandem solar cell and method for manufacturing such a solar cell.
WO2019200327A1 (en) 2018-04-12 2019-10-17 The Regents Of The University Of California Highly efficient perovskite/cu(in, ga)se2 tandem solar cell
KR102564282B1 (ko) 2018-05-10 2023-08-11 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 텐덤 태양전지 및 이의 제조방법
CN109950332B (zh) * 2019-03-26 2021-07-16 昆明理工大学 一种perc柔性石墨烯/硅太阳能电池的制备方法
CN210156403U (zh) 2019-06-29 2020-03-17 深圳黑晶光电科技有限公司 一种串联型钙钛矿/同质结硅叠层太阳能电池

Also Published As

Publication number Publication date
EP3993065A1 (en) 2022-05-04
US20220140177A1 (en) 2022-05-05
US11728455B2 (en) 2023-08-15
PL435800A1 (pl) 2022-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8975513B2 (en) Quantum dot-sensitized wide bandgap semiconductor heterojunction photovoltaic devices
US9123844B2 (en) Semiconductor grain and oxide layer for photovoltaic cells
US6861722B2 (en) Solid state heterojunction and solid state sensitized photovoltaic cell
US8395042B2 (en) Quantum dot solar cell with quantum dot bandgap gradients
US8158880B1 (en) Thin-film photovoltaic structures including semiconductor grain and oxide layers
US20130327928A1 (en) Apparatus for Manipulating Plasmons
WO2007098378A1 (en) Nanoparticle sensitized nanostructured solar cells
Gwamuri et al. Advances in Plasmonic Light Trapping in Thin‐Film Solar Photovoltaic Devices
CN104185903A (zh) 垂直堆叠的光伏和热太阳能电池
CN102770967A (zh) 太阳能电池
WO2007094840A1 (en) Photovoltaic cell
US20130207070A1 (en) Nanocomposite Material And Its Use In Optoelectronics
JP7498368B2 (ja) タンデム型太陽光発電デバイス
CN112490301B (zh) 实现光子循环增强的多结太阳电池及其制作方法
CN103107214B (zh) 纳米偶极子太阳能电池及其制备方法
US11728455B2 (en) Method of manufacturing μ-tandem photovoltaic cells and μ-tandem photovoltaic cell produced by this method
Shiyani et al. Plasmonic Solar Cells
Das et al. Quantum dots for solar energy harvesting
Hsu et al. Effects of nanostructured back reflectors on the external quantum efficiency in thin film solar cells
Zhang et al. Development and prospect of nanoarchitectured solar cells
George et al. Plasmonics Method of Improving Solar Cell Efficiency
Zhu et al. Photoelectric characteristic of hybrid thin-film solar cells and metasurface absorbers
Fu et al. Carrier modulation of one-dimensional MAPb x Sr 1− x (I y Cl 1− y) 3 core–shell perovskite nanowires
Abbas et al. Germanium quantum dot sensitized TiO2 solar cells
Shivani et al. A study on increasing the efficiency of the solar cell using nano metals