RU202307U1 - Фотоэлектрический преобразователь - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области физики и служит для достижения усиления фоточувствительности фотоэлектрических преобразователей на основе органометаллического перовскита. Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности поглощения света в инфракрасной области спектра, а также снижении трудозатрат при производстве фотогальванического преобразователя, который достигается за счет того, что преобразователь фотоэлектрический, состоящий из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с наночастицами, отличающийся тем, что наночастицы выполнены из полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg, меньшей ширины запрещенной зоны перовскита, при этом наночастицы однородно распределены по всему объему пленки из перовскита. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области физики и служит для достижения усиления фоточувствительности фотоэлектрических преобразователей на основе органометаллического перовскита [G02F 1/03].

Известен АКТИВНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ПЕРОВСКИТА С ОСАЖДЕННЫМИ СЕРЕБРЯНЫМИ, ЗОЛОТЫМИ И АЛЮМИНИЕВЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ [J.-Y. Wang et al., "Efficiency and stability enhancement of inverted perovskite solar cells via the addition of metal nanoparticles in the hole transport layer", RCS Advances, vol. 7, 12998-13002 (2017)]. Металлические наночастицы приводят к увеличению поглощения в перовските и росту эффективности солнечного элемента. Такой эффект достигается за счет возбуждения плазмонных резонансов в металлических наночастицах. Недостатком приведенного оптического элемента из перовскита является то, что он не позволяет усиливать фотолюминесценцию. Наблюдается ослабление интенсивности фотолюминесценции в 1.2, 2.3, 3.2 раза при наличии алюминиевых, золотых и серебряных наночастиц соответственно. Такой эффект достигается за счет того, что присутствующие в перовските металлические наночастицы обладают высокими потерями в оптической области спектра. Это приводит к тепловым потерям энергии и вызывает уменьшение энергии связи экситонов, что ведет к их более быстрому безызлучательному распаду и ослаблению фотолюминесценции.

Так же из уровня техники известен активный ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ПЕРОВСКИТА С ВНЕДРЕННЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЗОЛОТЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ, ПОКРЫТЫМИ ОКСИДОМ КРЕМНИЯ [W. Zhang et al. "Enhancement of Perovskite-Based Solar Cells Employing Core-Shell Metal Nanoparticles", NanoLetters, vol. 13, 4505-4510 (2013)]. Прототип состоит из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с внедренными золотыми наночастицами сферической формы, покрытыми оксидом кремния. Оксид кремния обеспечивает химическую стабильность золотых наночастиц в перовските. Недостатком известного оптического элемента из перовскита с внедренными золотыми наночастицами являются высокие потери в золоте на оптических частотах, что не позволяет достигнуть эффекта усиления фотолюминесценции.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является АКТИВНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ПЕРОВСКИТА С РЕЗОНАНСНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ [RU176397U1, опубликован 17.01.2018] состоящий из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с наночастицами сферической формы, отличающийся тем, что наночастицы выполнены из диэлектрика с высоким показателем преломления n и размещены в борозды на поверхности перовскита, при этом борозды выполнены с периодом "а", лежащим в пределах λ>а≥d+50 нм, глубиной h2≥2R1 нм и шириной "d", лежащей в пределах 2R1<d≤2R1+40 нм, а радиус наночастиц R1=λ/(2n)±20 нм, где λ - длина волны падающего излучения.

Основными техническими проблемами прототипа являются сложность изготовления перовскитной пленки в виду необходимости создания на ней борозд необходимой ширины и необходимости точного распределения по поверхности наночастиц с заданным расстоянием между ними, а также ввиду малой площади соприкосновения наночастиц со слоем перовскита снижается интенсивность электромагнитного поля генерируемого в результате поглощения световой волны наночастицами.

Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.

Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности поглощения света в инфракрасной области спектра, а также снижение трудозатрат при производстве фотогальванического преобразователя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что преобразователь фотоэлектрический, состоящий из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с наночастицами, отличающийся тем, что наночастицы выполнены из полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg меньшей ширины запрещенной зоны перовскита, при этом наночастицы однородно распределены по всему объему пленки из перовскита.

В частности, наночастицы распределены в пленке перовскита со средним расстоянием между частицами d, находящемся в пределах 2R<d≤(2R+50) нм.

В частности, показатель преломления наночастиц больше 3,0.

В частности, наночастицы имеют ширину запрещённой зоны Eg меньше 1,5 эВ.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показан разрез одного из вариантов реализации преобразователя фотоэлектрического.

На фигурах обозначено: 1 – стеклянная подложка, 2 – слой проводящего прозрачного оксида металла, 3 – слой с электронным типом проводимости, 4 – слой органометаллического перовскита, 5 – наночастицы сферической формы, 6 – проводящий слой с дырочным типом проводимости, 7 – металлический контакт.

Осуществление полезной модели

В представленном варианте преобразователь фотоэлектрический содержит нанесенную на стеклянную подложку 1, покрытую тонким слоем проводящего прозрачного оксида металла 2 сверху которого выполнен слой с электронным типом проводимости 3, пленку органометаллического перовскита 4 толщиной "h" в диапазоне 0,5<h<1 мкм. В слой перовскита 4 внедрены наночастицы сферической формы с радиусом "R" от 10 до 50 нм из полупроводника с высоким показателем преломления n>3 и шириной запрещенной зоны Eg<1,5 эВ, которые распределены однородно в слое перовскита со средними расстояниями между наночастицами "d", лежащим в пределах 2R<d≤2R+50 нм. Сверху слоя перовскита нанесен проводящий слой с дырочным типом проводимости 5, на который нанесен металлический контакт 6, предназначенный для съема фототока в структуре.

В качестве примера конкретной реализации предлагается пленка из органо-металлического перовскита CH3NH3PbI3 толщиной 750 нм с расположенными в ее объеме в случайном порядке наночастицами кристаллического кремния с радиусом R=25 нм и объемной концентрацией 10%. В качестве электронных и дырочных контактных слоев использовались проводящие полимеры PEDOT:PSS и spiro-MeOTAD, а в качестве металлического контакта – слой золота. Данные параметры подобраны для наиболее эффективного усиления фототока в диапазоне 850-1000 нм.

Для генерации фототока в преобразователе, его размещают под источником света. Падающая по нормали к плоскости стеклянной подложки 1 световая волна поглощается в наночастицах 5, что вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Генерируемый при этом фототок, проходя через слой с дырочным типом проводимости снимают с помощью металлического контакта 6.

Многочисленные экспериментальные измерения и теоретические оценки показали, что в предлагаемой структуре, происходит увеличение поглощения в инфракрасном спектральном диапазоне для энергий фотона “E” в диапазоне 0,1<E<1,5 эВ, в котором верхняя и нижняя границы определяются шириной запрещенной зоны полупроводника Eg, из которого изготовлены наночастицы, а верхняя – высотой потенциального барьера на границе между наночастицами и перовскитом.

Измерения показали, что фототок в фотоэлектрическом преобразователе основе перовскита с внедренными полупроводниковыми наночастицами возрастает в 2 раза в сравнении с фототоком в фотоэлектрическом преобразователе основе перовскита без наночастиц при освещении светом с энергий фотонов от 1,0 до 1,5 эВ.

В качестве возможных материалов перовскитной пленки и наночастиц могут использоваться органометаллический перовскит CH3NH3PbI3 и нанокристаллический кремний соответственно.

В качестве материала наночастиц используются полупроводники с шириной запрещенной зоны Eg<1,5 эВ, которая меньше ширины запрещенной зоны перовскита CH3NH3PbI3, и высоким значением показателя преломления n>3, которое больше показателя преломления перовскита в инфракрасной области спектра.

В качестве примера таких материалов можно указать кристаллический кремний, кристаллический германий и их твердые растворы. Условие выбора шириной запрещенной зоны материала наночастиц определяется требованием поглощения света в инфракрасной области с энергией меньше ширины запрещенной зоны перовскита. Значение показателя преломления материала наночастиц обосновывается необходимостью увеличения рассеяния света в инфракрасном диапазоне спектра.

Указанный технический результат повышение эффективности поглощения света в инфракрасной области спектра достигается увеличением площади соприкосновения наночастиц из полупроводника с перовскитом соответственно существенно расширяется зона образования электронно-дырочных пар вследствие поглощения световой волны в наночастицах.

Указанный технический результат снижение трудозатрат при производстве фотогальванического преобразователя достигается однородным распределением наночастиц из полупроводника в толще пленки из перовскита и отсутствием необходимости выполнять борозды на поверхности указанной пленки.

Claims (4)

1. Преобразователь фотоэлектрический, состоящий из нанесенного на стеклянную подложку перовскита с наночастицами, отличающийся тем, что наночастицы выполнены из полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg, меньшей ширины запрещенной зоны перовскита, при этом наночастицы однородно распределены по всему объему пленки из перовскита.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наночастицы распределены в пленке перовскита со средним расстоянием между частицами d, находящимся в пределах 2R<d≤(2R+50) нм.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что показатель преломления наночастиц больше 3,0.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наночастицы имеют ширину запрещённой зоны Eg меньше 1,5 эВ.

Images