RU209840U1 - Устройство для сбора солнечного излучения - Google Patents

Устройство для сбора солнечного излучения Download PDF

Info

Publication number
RU209840U1
RU209840U1 RU2021130624U RU2021130624U RU209840U1 RU 209840 U1 RU209840 U1 RU 209840U1 RU 2021130624 U RU2021130624 U RU 2021130624U RU 2021130624 U RU2021130624 U RU 2021130624U RU 209840 U1 RU209840 U1 RU 209840U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photonic crystal
cathode
graphene
nanorods
layer
Prior art date
Application number
RU2021130624U
Other languages
English (en)
Inventor
Павел Михайлович СОКОЛОВ
Павел Сергеевич Самохвалов
Юрий Петрович Ракович
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
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 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
Priority to RU2021130624U priority Critical patent/RU209840U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU209840U1 publication Critical patent/RU209840U1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/15Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области фотовольтаики и управления свойствами материалов. Устройство позволяет повысить эффективность солнечных батарей и снизить их нагрев, что актуально для создания высокоэффективных солнечных батарей, используемых в регионах с жаркими климатическими условиями.Суть полезной модели заключается в том, что предложено устройство для сбора солнечного излучения, содержащее пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, представляющий собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, поверхность которой со стороны фотонного кристалла покрыта слоем материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода, поверх которого нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дырок, в пространстве между наностержнями расположен гибридный материал, представляющий собой сшитые плотноупакованные пленки квантовых точек на поверхности листов производных графена, а свободное пространство между наностержнями, гибридным материалом и дырочным транспортным слоем заполнено электролитом, выполнено так, что в качестве катода применена оптически прозрачная пластина, на поверхности которой со стороны, обращенной в сторону фотонного кристалла, расположена пленка токопроводящего материала, способного отражать электромагнитное излучение, а высота наностержней и соответственно расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и катодом, совпадала с электронными переходами квантовых точек.Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании устройства для сбора солнечного излучения, обеспечивающего снижение энергетических потерь при генерации и транспорте носителей зарядов под действием солнечного света, тем самым повышая их эффективность и снижая нагрев, за счет применения гибридного фотоактивного слоя «графен-КТ» и модификации оптических свойств и энергетических уровней КТ, достигаемой благодаря структуре устройства, подобной резонатору. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области фотовольтаики и управления свойствами материалов. Устройство позволяет повысить эффективность солнечных батарей и снизить их нагрев, что актуально для создания высокоэффективных солнечных батарей, используемых в регионах с жаркими климатическими условиями.
Известна конструкция устройства для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда, которая описана в патенте [1]. Конструкция известного устройства представляет собой прозрачную пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, состоящий из массива параллельных наностержней, поверхность которых покрыта тонким слоем токопроводящего материала, а пространство между стержнями заполнено гибридным материалом, состоящим из производных графена и квантовых точек, заключенных в электролит. К недостаткам известного изобретения стоит отнести то, что объединение производных графена и квантовых точек в электролите не может обеспечить достаточно качественного транспорта носителей заряда и тем самым оставляет возможность их рекомбинации, что снижает эффективность солнечных батарей на их основе и приводит к нагреву солнечных батарей, так как энергия рассеивается в тепло.
Ближайший аналог предлагаемой полезной модели, выбранный в качестве прототипа, раскрывается в патенте [2]. Известное устройство содержит пластину, включающую двухмерных фотонный кристалл, состоящий из массива наностержней, на поверхность которого нанесен слой материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода. Поверх анода нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дыр. В качестве катода применена пленка металла с периодически расположенными отверстиями, образующими фотонный кристалл. Пространство между катодом и анодом заполнено гибридным материалом, состоящим из сшитых плотноупакованных квантовых точек на поверхности листов производных графена, и электролитом. К недостаткам известного устройства стоит отнести то, что излучение, энергия которого недостаточна для генерации пар носителей заряда, остается внутри фотоактивной области и переводится в тепло, которое разогревает солнечную батарею, снижая ее эффективность и уменьшая срок службы. Также стоит отметить, что конструкция известного устройства позволяет модифицировать поглощение лишь путем запирания солнечного излучения внутри устройства, с помощью фотонных кристаллов, однако не предусмотрена возможность дополнительной модификации спектров поглощения фотоактивного материала.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании устройства для сбора солнечного излучения, обеспечивающего снижение энергетических потерь при генерации и транспорте носителей зарядов под действием солнечного света, тем самым повышая их эффективность и снижая нагрев, за счет применения гибридного фотоактивного слоя «графен-КТ» и модификации оптических свойств и энергетических уровней КТ, достигаемой благодаря структуре устройства, подобной резонатору.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора солнечного излучения, содержащее пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, представляющий собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, поверхность которой со стороны фотонного кристалла покрыта слоем материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода, поверх которого нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дырок, в пространстве между наностержнями расположен гибридный материал, представляющий собой сшитые плотноупакованные пленки квантовых точек на поверхности листов производных графена, а свободное пространство между наностержнями, гибридным материалом и дырочным транспортным слоем заполнено электролитом, выполнено так, что в качестве катода применена оптически прозрачная пластина, на поверхности которой со стороны, обращенной в сторону фотонного кристалла, расположена пленка токопроводящего материала, способного отражать электромагнитное излучение, а высота наностержней и соответственно расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и катодом, совпадала с электронными переходами квантовых точек.
На эффективность солнечных батарей значительно влияют потери энергии фотонов, происходящие при преобразовании их энергии в энергию свободных электронов и электрический ток. Эти энергетические потери не могут быть ниже энергии возбужденного состояния донора за вычетом суммы энергии основного состояния донора и произведения заряда электрона на напряжение холостого хода солнечной батареи. Для минимизации энергетических потерь предложено снизить минимальную энергию возбужденного состояния донора, которая достаточна для образования свободного электрона. Это достигается тем, что конструкция устройства для сбора солнечного излучения выполнена наподобие резонаторной ячейки, образованной прозрачным катодом, состоящим из прозрачной пластины и тонкого слоя токопроводящего материала, и пластиной, содержащей фотонный кристалл, с нанесенным на ее поверхность анодом. При этом расстояние между отражающим фотонным кристаллом и катодом выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки совпадала с электронным переходом квантовых точек (КТ). Это вызывает расщепление возбужденного состояния КТ на две поляритонные ветви с большей и меньшей энергией, чем у исходного возбужденного состояния КТ. Настраивая расщепление энергетических уровней в КТ, а также учитывая разность энергий края зоны проводимости КТ и нижнего энергетического уровня производных графена, можно добиться того, что практически вся энергия будет идти на генерацию пар носителей заряда без рассеивания избытков энергии в тепло, тем самым снижая энергию, необходимую на разделение носителей заряда, и позволяет повысить напряжение холостого хода и эффективность солнечных батарей в целом.
Возможен первый частный случай, когда в качестве материала пластины для изготовления двухмерного фотонного кристалла применено стекло, полистирол, поликарбонат, полиэталентерефталат, полиимид, оксид кремния.
Возможен второй частный случай, когда в качестве материала анода применен оксид индия-олова, оксид алюминия-цинка, оксид олова, графен или его производные.
Возможен третий частный случай, в котором в качестве материала, обладающего свойствами селективного транспорта дырок, применен сульфид молибдена, оксид никеля, оксид ванадия, оксид графена или оксид графена, модифицированный фтором, хлором или наночастицами серебра.
Возможен четвертый частный случай, когда в качестве листов производных графена используют однослойные или многослойные листы производных графена или их комбинацию.
Возможен пятый частный случай, в котором в качестве производных графена применен оксид графена, восстановленный оксид графена, хлорированный оксид графена или их комбинация.
Возможен шестой частный случай, когда в состав гибридного материала входят квантовые точки состава PbS, PbSe, CuInS2, CuInSe2, PbS/PbSe или комбинации этих квантовых точек.
Возможен седьмой частный случай, в котором в качестве материала прозрачной пластины катода применена пластина из стекла, полистирола или оксида кремния толщиной от 30 до 500 мкм.
Возможен восьмой частный случай, когда пленка токопроводящего материала катода имеет толщину от 2 до 100 нм.
Возможен девятый частный случай, в котором расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода составляет от 25 нм до 2 мкм.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема, представляющая конкретный пример, предлагаемого устройства для сбора солнечного излучения. На фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы: пластина, содержащая фотонный кристалл - 1; анод - 2; дырочный транспортный слой - 3; наностержни, образующие фотонный кристалл - 4; электролит - 5; пленка токопроводящего материала - 6; прозрачная пластина катода - 7; лист производных графена - 8; квантовая точка - 9.
Принцип работы предлагаемого устройства раскрывается на нижеследующем примере. Было изготовлено три устройства для сбора солнечного излучения. Структура устройства А соответствует прототипу, однако катод выполнен из серебра (толщина 30 нм, диаметр отверстий 300 нм, период 170 нм); устройство Б по своей структуре соответствует предлагаемому устройству, а расстояние между фотонным кристаллом и пленкой электропроводящего материала катода соответствует расстоянию между фотонным кристаллом и катодом в устройстве А (условие резонанса не выполняется); устройство В по своей структуре соответствует предлагаемому устройству, в котором расстояние между фотонным кристаллом и пленкой токопроводящего материала катода выбрано таким, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и пленкой токопроводящего материала катода, соответствовала электронному переходу КТ. В качестве катода в устройствах Б и В применена прозрачная пластина из оксида кремния толщиной 125 мкм с нанесенным на ее поверхность слоем серебра толщиной 20 нм. Остальная конструкция устройств одинакова: материал подложки и фотонного кристалла - оксида кремния, фотонный кристалл - массив параллельных наностержней, расположенных перпендикулярно плоскости подложки в углах гексагональной решетки (периодом - 590 нм, диаметр наностержня - 215 нм, высота наностержня для устройств А и Б - 500 нм и 125 нм для устройства В). Анод, выполненный из оксида индия-олова, был получен методом магнетронного напыления в вакууме, до толщины результирующего слоя порядка 40 нм на подложку со стороны фотонного кристалла. Дырочный транспортный слой выполнен из оксида графена, нанесенного до толщины слоя около 2 нм. Гибридный фотоактивный материал представляет собой монослойные листы восстановленного оксида графена, с иммобилизованными на его поверхности квантовыми точками состава PbS диаметром 5±0,5 нм. Поверхность квантовых точек пассивирована PbI2 для плотной упаковки и хорошего транспорта электронов от квантовых точек на листы восстановленного оксида графена. В качестве электролита для нанесения листов производных графена и квантовых точек использовался полисульфидный электролит. Измерение напряжения проводилось с помощью стандартного источника-измерителя Keithley 2400 (США), в качестве источника счета использовался симулятор солнечного света Zolix SSI50 (Китай). Для измерения температуры использовалась высокоточная термопара Omega DP9602 (США). Измерения напряжения холостого хода проводились при интенсивности освещенности соответствующей, равной 100 мВт/см2, при температуре окружающей среды 22°С. Среднее значение напряжения холостого хода на устройстве А составило 0,824±0,013 В, на устройстве Б - 0,789±0,011 В, на устройстве В - 0,447±0,015 В. Стоит отметить, что толщина фотоактивного слоя устройств В в 4 раза ниже, чем у устройств А и В, и при схожей эффективности напряжение холостого хода должно было бы упасть пропорционально в 4 раза, однако полученное напряжение холостого хода всего в 1,84 раза меньше, чем у устройства А, и в 1,76 меньше, чем у образца Б. Измерение температуры проводилось спустя 20 минут после начала освещения устройств с помощью светодиода (длина волны излучения 1200 нм), дополнительное термостатирование не проводилось, но все устройства находились в одинаковых условиях. В результате температура устройства А поднялась на 1,4°С (1), устройства Б на 1,1°С (0,99), а устройства В всего на 0,2°С (0,38) (в скобках указано поглощение устройств на длине волны 1200 нм, нормированное по интенсивности поглощения устройства А). Приведенные результаты свидетельствуют о том, что устройство предложенной структуры выделяет меньше тепла как на единицу объема, с учетом поглощающей способности, а также обеспечивают большее напряжение холостого хода, при одинаковой интенсивности солнечного излучения, что свидетельствует о повышении эффективности.
Таким образом, конструкция предложенного устройства для сбора солнечного излучения позволяет повысить напряжение холостого хода солнечных батарей на их основе и снизить тепловые энергетические потери за счет повышения эффективности генерации носителей зарядов путем создания устройства с резонатор подобной структурой электродов и модификации энергетических уровней компонентов фотоактивного слоя.
Источники информации
1. Соколов П.М. и др. Устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей. Патент РФ RU 188920 U1.
2. Соколов П.М. и др. Устройство для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для солнечных батарей. Патент РФ RU 194493 U1.

Claims (10)

1. Устройство для сбора солнечного излучения, содержащее пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, представляющий собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, поверхность которой со стороны фотонного кристалла покрыта слоем материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода, поверх которого нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дырок, в пространстве между наностержнями расположен гибридный материал, представляющий собой сшитые плотноупакованные пленки квантовых точек на поверхности листов производных графена, а свободное пространство между наностержнями, гибридным материалом и дырочным транспортным слоем заполнено электролитом, отличающееся тем, что в качестве катода применена оптически прозрачная пластина, на поверхности которой со стороны, обращенной в сторону фотонного кристалла, расположена пленка токопроводящего материала, способного отражать электромагнитное излучение, а высота наностержней и соответственно расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и катодом, совпадала с электронными переходами квантовых точек.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала пластины для изготовления двухмерного фотонного кристалла применено стекло, полистирол, поликарбонат, полиэталентерефталат, полиимид, оксид кремния.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала анода применен оксид индия-олова, оксид алюминия-цинка, оксид олова, графен или его производные.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала, обладающего свойствами селективного транспорта дырок, применен сульфид молибдена, оксид никеля, оксид ванадия, оксид графена или оксид графена, модифицированный фтором, хлором или наночастицами серебра.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве листов производных графена используют однослойные или многослойные листы производных графена или их комбинацию.
6. Устройство по пп. 1, 5, отличающееся тем, что в качестве производных графена применен оксид графена, восстановленный оксид графена, хлорированный оксид графена или их комбинация.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в состав гибридного материала входят квантовые точки состава PbS, PbSe, CuInS2, CuInSe2, PbS/PbSe или комбинации этих квантовых точек.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала прозрачной пластины катода применена пластина из стекла, полистирола или оксида кремния толщиной от 30 до 500 мкм.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пленка токопроводящего материала катода имеет толщину от 2 до 100 нм.
10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода составляет от 25 нм до 2 мкм.
RU2021130624U 2021-10-21 2021-10-21 Устройство для сбора солнечного излучения RU209840U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021130624U RU209840U1 (ru) 2021-10-21 2021-10-21 Устройство для сбора солнечного излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021130624U RU209840U1 (ru) 2021-10-21 2021-10-21 Устройство для сбора солнечного излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU209840U1 true RU209840U1 (ru) 2022-03-23

Family

ID=80820442

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021130624U RU209840U1 (ru) 2021-10-21 2021-10-21 Устройство для сбора солнечного излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU209840U1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2532690C1 (ru) * 2013-04-19 2014-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Способ создания фотовольтаических ячеек на основе гибридного нанокомпозитного материала
EA201690366A1 (ru) * 2013-08-14 2016-07-29 НОРВИДЖЕН ЮНИВЕРСИТИ ОФ САЙЕНС ЭНД ТЕКНОЛОДЖИ (ЭнТиЭнЮ) НАНОПРОВОЛОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С РАДИАЛЬНЫМИ p-n-ПЕРЕХОДАМИ
WO2017223305A1 (en) * 2016-06-22 2017-12-28 Massachusetts Institute Of Technology Highly efficient near-field thermophotovoltaics using surface-polariton emitters and thin-film photovoltaic-cell absorbers
RU2700046C1 (ru) * 2019-02-13 2019-09-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2532690C1 (ru) * 2013-04-19 2014-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Способ создания фотовольтаических ячеек на основе гибридного нанокомпозитного материала
EA201690366A1 (ru) * 2013-08-14 2016-07-29 НОРВИДЖЕН ЮНИВЕРСИТИ ОФ САЙЕНС ЭНД ТЕКНОЛОДЖИ (ЭнТиЭнЮ) НАНОПРОВОЛОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С РАДИАЛЬНЫМИ p-n-ПЕРЕХОДАМИ
WO2017223305A1 (en) * 2016-06-22 2017-12-28 Massachusetts Institute Of Technology Highly efficient near-field thermophotovoltaics using surface-polariton emitters and thin-film photovoltaic-cell absorbers
RU2700046C1 (ru) * 2019-02-13 2019-09-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" Фотопреобразователь с HIT структурой и технология его изготовления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2356162T3 (es) Célula solar en tandem de película delgada.
JP4831649B2 (ja) 電子機器に用いられる多孔質膜、その多孔質膜の使用方法、電子機器、及びその多孔質膜の製造方法
US11251723B2 (en) Systems for driving the generation of products using quantum vacuum fluctuations
KR101575733B1 (ko) 근적외선 파장변환 구조체 및 이를 이용한 태양전지
US20130092211A1 (en) Asymmetric mim type absorbent nanometric structure and method for producing such a structure
Ren et al. Strategies for high performance perovskite/crystalline silicon four-terminal tandem solar cells
US20230335344A1 (en) Perovskite solar cell configurations
JP2002111031A (ja) 固体ヘテロ接合および固体増感(感光性)光起電力セル
Ghomian et al. Lead sulfide colloidal quantum dot photovoltaic cell for energy harvesting from human body thermal radiation
Shalenov et al. Performance optimization of back-contact perovskite solar cells with quasi-interdigitated electrodes
Nikale et al. Photoelectrochemical performance of sprayed n-CdIn2Se4 photoanodes
RU209840U1 (ru) Устройство для сбора солнечного излучения
US20200279694A1 (en) Photovoltaic element
US20110155233A1 (en) Hybrid solar cells
RU194493U1 (ru) Устройство для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для солнечных батарей
JP6261088B2 (ja) 光電変換装置、建築物および電子機器
RU188920U1 (ru) Устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей
JPWO2011108116A1 (ja) 太陽電池
RU2531768C1 (ru) Двусторонний солнечный фотопреобразователь (варианты)
Chawla et al. Design and modelling of G–ZnO nanocomposite electrode for a-Si: H/µc-Si: H micromorph solar cell
KR100581840B1 (ko) 광감응형 및 p-n접합 복합구조를 갖는 태양전지 및 그제조방법
KR20130093319A (ko) 양자점 감응형 태양전지
Esmaeili et al. A novel design of high efficiency perovskite solar cell using electron reflector strategy and transport layers optimization
JP2004158511A (ja) 太陽電池用基板およびその製造方法ならびにそれを用いた太陽電池
RU2698533C1 (ru) Металлооксидный солнечный элемент