RU2331140C1 - Гетероэлектрический фотоэлемент - Google Patents
Гетероэлектрический фотоэлемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2331140C1 RU2331140C1 RU2007100004/28A RU2007100004A RU2331140C1 RU 2331140 C1 RU2331140 C1 RU 2331140C1 RU 2007100004/28 A RU2007100004/28 A RU 2007100004/28A RU 2007100004 A RU2007100004 A RU 2007100004A RU 2331140 C1 RU2331140 C1 RU 2331140C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- specified
- particles
- layer
- type semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 6
- KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 2-vinylpyridine Chemical compound C=CC1=CC=CC=N1 KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/035281—Shape of the body
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Гетероэлектрический фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию падающее на него электромагнитное излучение, содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с p-n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения, при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей. В указанный слой полупроводника n-типа наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например, ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц. Изобретение позволяет существенно повысить кпд. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Известен фотоэлемент [1], включающий металлическую пластину с нанесенным на эту пластину фоточувствительным слоем, содержащим слой полупроводника n-типа и слой поли-Т-эпоксипропилкарбазола, допированного SbCl5, и полупрозрачную пленку золота. Недостатком указанного фотоэлемента является низкий кпд, достигающий в максимуме лишь 3,2%.
Известен также фотоэлемент [2], который выбран в качестве прототипа данного изобретения. Указанный фотоэлемент состоит из металлической пластины, на которой расположены слои полупроводника р- и n-типа с p - n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей, и прозрачного электропроводящего слоя.
Недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно высокий кпд преобразования энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию в заданном спектральном диапазоне, который не превышает 10%, и низкий фотоЭДС, не превышающий 0,7 В.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и повышение кпд и фотоЭДС.
Поставленная цель достигается тем, что в известном фотоэлементе, преобразующем в электрическую энергию электромагнитное излучение, содержащем расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с p - n-переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером, много меньшим длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей, в указанный слой полупроводника n-типа указанные наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц, а также за счет того, что указанные наночастицы, заключенные в указанную оболочку, расположены в указанном слое упорядоченно, например в виде кубической решетки, и одинаково ориентированы относительно поверхности указанного слоя полупроводника n-типа.
На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого фотоэлемента, где
1 - металлическая пластина,
2 - слой полупроводника p-типа,
3 - слой полупроводника n-типа,
4 - область р - n-перехода,
5 - металлические наночастицы, заключенные в полимерную оболочку, закрепленные слоем прозрачного полимера,
6 - электрические контакты,
7 - падающее излучение,
8 - каскад фотоэлемента (р-n)-переход,
9 - каскад фотоэлемента (n-n+)-переход.
На фиг.2 для предлагаемого гетероэлектрического фотоэлемента изображена зависимость поглощения р падающего электромагнитного излучения от его длины λ волны.
Предлагаемый гетероэлектрический фотоэлемент (фиг.1) работает следующим образом.
Металлические, например золотые, наночастицы имеют плазменный резонанс в области длин волн около 550 нм. При заключении в ПВП полимерную оболочку область длин волн указанного резонанса уширяется и смещается в область больших длин волн. Полимерная оболочка как наночастица имеет плазменный резонанс в области около 900 нм, т.е. в области инфракрасного излучения. Таким образом, будучи введенными в полупроводник n-типа золотые заключенные в ПВП-оболочку наночастицы плюс сама ПВП-оболочка имеют две ярко выраженные области поглощения электромагнитного излучения (фиг.2).
Кроме того, при использовании наночастиц размера 40-50 нм возникает новый резонанс для квадрупольной составляющей излучения. Например, для случая сферической частицы условие резонанса есть 2Reε+3=0, где ε - диэлектрическая функция материала наночастицы.
Упорядоченно и однородно ориентированно внедренные в полупроводник наночастицы дают дополнительные узкие плазмонные резонансы.
Таким образом, эффективность гетероэлектрического фотоэлемента может достигать 80% и более в солнечную погоду и не менее 50% в пасмурную погоду при использовании кремниевого полупроводника.
Увеличение фотоЭДС в гетероэлектрическом фотоэлементе обусловлено возможностью пространственного разделения зарядов не только в полупроводниковом р - n-переходе, но и в переходной области полупроводник-полимер-металл, где как и в р - n-переходе возникают сильные внутренние электростатические поля двойного слоя зарядов [3]. Возникновение дополнительного (n-n+)-перехода на границе слоя n-типа и ПВП-оболочки наночастиц приводит к созданию «второго каскада» в гетероэлектрическом фотоэлементе, и именно в этой приповерхностной области происходит наиболее эффективная концентрация светового поля наночастицами.
Заключенные в полимерную оболочку металлические наночастицы поглощают падающее излучение 7 и переизлучают его часть в виде сферической волны. При этом плотность энергии W переизлученного падающего излучения ближней зоны [4, 5] оказывается в несколько раз выше, чем плотность энергии падающего излучения. Таким образом, наночастицы «концентрируют» падающее излучение ближайшей зоны как обычные линзы или оптические резонаторы.
Чем ближе к поверхности полупроводника 3 наночастицы, тем сильнее увеличивается плотность энергии переизлученного электромагнитного излучения по сравнению с плотностью энергии падающего излучения 7. В связи с тем, что внутреннее поле в областях р - n переходов быстро разделяет фотоиндуцированные носители так, что они не успевают рекомбинировать, плотность фототока пропорциональна W [5].
Таким образом, гетероэлектрический фотоэлемент совмещает механизмы увеличения генерации фототока в многокаскадных фотоэлементах и «концентрацию» электромагнитных полей в области р-n, (n-n+)-переходов, что приводит к существенному увеличению фототока и фотоЭДС и соответственно кпд предлагаемого гетероэлектрического многокаскадного фотоэлемента.
Пример реализации предлагаемого диэлектрического фотоэлемента.
Стандартная р-типа полупроводниковая пластина, покрытая с одной стороны металлическим слоем (например, методом вакуумного напыления), легируется с другой стороны примесью n-типа на заданную глубину. Шарообразные наночастицы золота диаметром 40-50 нм, полученные методом адсорбции из гидрозоля, покрываются ПВП - оболочкой методом адсорбции в 0,5% растворе указанного полимера в хлороформе. Толщина оболочки 40-50 нм достигается за счет выбора времени пребывания наночастиц в указанном растворе. Далее указанные заключенные в ПВП оболочку наночастицы наносятся методом островковых пленок на легированную сторону указанной р-типа полупроводниковой пластины. После чего они закрепляются нанесением тонкого прозрачного полимера, в частности здесь использованного АПС (γ-аминопропилтриметоксилина).
Затем методом, например, вакуумного напыления наносятся полосковые металлические контакты. Изготовленный таким образом гетерогенный фотоэлемент имеет кпд около 70% в солнечную погоду и не менее 40% в пасмурную погоду и фотоЭДС не менее 1,5 В.
Литература
1. Н.Ф.Губа и В.Д.Походенко, AC SU 1806424 A3.
2. О.А.Займидорога, И.Е.Проценко и В.Н.Самойлов RU 2222846 С1.
3. Р.Бьюб «Фотопроводимость твердых тел» М.: Иностранная литература, 1962, стр.144.
4. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц «Теория поля» М.: Наука, 1988, стр.253.
5. С.Зи «Физика полупроводниковых приборов», книга 2, М.: Мир, 1984, стр.403.
Claims (2)
1. Гетероэлектрический фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию падающее на него электромагнитное излучение, содержащий расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и n-типа с pn переходом между ними, с введенными в полупроводник n-типа наночастицами металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей, отличающийся тем, что в указанный слой полупроводника n-типа указанные наночастицы введены заключенными в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных наночастиц, выполненную из полимера, например ПВП (поли 2-винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных наночастиц.
2. Гетероэлектрический фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что указанные наночастицы, заключенные в указанную оболочку, расположены в указанном слое упорядоченно, например, в виде кубической решетки, и одинаково ориентированы относительно поверхности указанного слоя полупроводника n-типа.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007100004/28A RU2331140C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Гетероэлектрический фотоэлемент |
| PCT/RU2007/000427 WO2008085083A1 (fr) | 2007-01-09 | 2007-08-03 | Cellule photovoltaïque hétéroélectrique |
| US12/497,933 US20090320915A1 (en) | 2007-01-09 | 2009-07-06 | Heteroelectrical photocell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007100004/28A RU2331140C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Гетероэлектрический фотоэлемент |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2331140C1 true RU2331140C1 (ru) | 2008-08-10 |
Family
ID=39608873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007100004/28A RU2331140C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Гетероэлектрический фотоэлемент |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20090320915A1 (ru) |
| RU (1) | RU2331140C1 (ru) |
| WO (1) | WO2008085083A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762363C1 (ru) * | 2021-01-26 | 2021-12-20 | Заур Исмаилович Ашурлы | Солнечный интенсифицированный тепличный комплекс |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2105388C1 (ru) * | 1996-04-10 | 1998-02-20 | Виктор Михайлович Горловин | Лавинный фотоприемник |
| RU2102821C1 (ru) * | 1996-10-10 | 1998-01-20 | Зираддин Ягуб-оглы Садыгов | Лавинный фотодиод |
| JP2000285975A (ja) * | 1999-03-30 | 2000-10-13 | Aisin Seiki Co Ltd | 光電変換用半導体および光電変換素子 |
| RU2222846C1 (ru) * | 2002-08-08 | 2004-01-27 | Займидорога Олег Антонович | Фотоэлемент |
| RU2217845C1 (ru) * | 2002-09-04 | 2003-11-27 | Займидорога Олег Антонович | Гетерогенный фотоэлемент |
| US7663057B2 (en) * | 2004-02-19 | 2010-02-16 | Nanosolar, Inc. | Solution-based fabrication of photovoltaic cell |
| US8592680B2 (en) * | 2004-08-11 | 2013-11-26 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive devices |
| EP1902151A2 (en) * | 2005-07-14 | 2008-03-26 | 3M Innovative Properties Company | Water-soluble polymeric substrate having metallic nanoparticle coating |
-
2007
- 2007-01-09 RU RU2007100004/28A patent/RU2331140C1/ru active
- 2007-08-03 WO PCT/RU2007/000427 patent/WO2008085083A1/ru active Application Filing
-
2009
- 2009-07-06 US US12/497,933 patent/US20090320915A1/en not_active Abandoned
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762363C1 (ru) * | 2021-01-26 | 2021-12-20 | Заур Исмаилович Ашурлы | Солнечный интенсифицированный тепличный комплекс |
| WO2022164350A1 (ru) * | 2021-01-26 | 2022-08-04 | Заур Исмаилович АШУРЛЫ | Солнечный интенсифицированный тепличный комплекс |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20090320915A1 (en) | 2009-12-31 |
| WO2008085083A1 (fr) | 2008-07-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Morawiec et al. | Plasmonic nanostructures for light trapping in thin-film solar cells | |
| Morawiec et al. | Broadband photocurrent enhancement in a-Si: H solar cells with plasmonic back reflectors | |
| Moulin et al. | Thin-film silicon solar cells with integrated silver nanoparticles | |
| US8120027B2 (en) | Backside nanoscale texturing to improve IR response of silicon solar cells and photodetectors | |
| US8750653B1 (en) | Infrared nanoantenna apparatus and method for the manufacture thereof | |
| US8618622B2 (en) | Photodetector optimized by metal texturing provided on the rear surface | |
| Wang et al. | Toward highly efficient nanostructured solar cells using concurrent electrical and optical design | |
| EP1949452A2 (en) | Silicon nanoparticle photovoltaic devices | |
| TW201424017A (zh) | 具有高轉換效率之光伏打元件 | |
| US10873045B2 (en) | High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof | |
| Ouellette et al. | Optical resonance engineering for infrared colloidal quantum dot photovoltaics | |
| Tan et al. | Combined optical and electrical design of plasmonic back reflector for high-efficiency thin-film silicon solar cells | |
| Tong et al. | Plasmonic-enhanced Si Schottky barrier solar cells | |
| WO2012166993A1 (en) | Charge-coupled photovoltaic devices | |
| Sasihithlu et al. | Light trapping in ultrathin CIGS solar cell with absorber thickness of 0.1$\mu $ m | |
| RU2331140C1 (ru) | Гетероэлектрический фотоэлемент | |
| Meddeb et al. | Investigation of quantum size effects on the optical absorption in ultrathin single quantum well solar cell embedded as a nanophotonic resonator | |
| WO2013028510A2 (en) | Embedded nanopatterns for optical absorbance and photovoltaics | |
| Nguyen et al. | Plasmonic enhancement of light trapping into organic solar cells | |
| EP2139045A1 (en) | Electromagnetic emission converter | |
| Thouti et al. | Role of textured silicon surface in plasmonic light trapping for solar cells: The effect of pyramids width and height | |
| Morawiec et al. | Light trapping by plasmonic nanoparticles | |
| Spinelli et al. | Photovoltaics: Light‐Trapping in Crystalline Silicon and Thin‐Film Solar Cells by Nanostructured Optical Coatings | |
| KR102507617B1 (ko) | 플라즈모닉 하이브리드 나노입자, 이산화티타늄 및 그래핀 양자점을 포함하는 uv 광검출기용 기판 및 이를 이용하는 uv 광검출기 | |
| FI20195217A1 (en) | Enhancing the absorption and detection of infrared radiation by plasmonics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20151015 |