RU2469440C2 - Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток - Google Patents
Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469440C2 RU2469440C2 RU2011104126/28A RU2011104126A RU2469440C2 RU 2469440 C2 RU2469440 C2 RU 2469440C2 RU 2011104126/28 A RU2011104126/28 A RU 2011104126/28A RU 2011104126 A RU2011104126 A RU 2011104126A RU 2469440 C2 RU2469440 C2 RU 2469440C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crown
- solar energy
- organic photovoltaic
- photovoltaic converter
- polymer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- Y02E10/549—Organic PV cells
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Nitrogen Condensed Heterocyclic Rings (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области энергосберегающих технологий. Предложенный способ повышения эффективности полимерных преобразователей введением в активный слой краунзамещенных порфиринов металлов позволяет снизить стоимость производимой электроэнергии из солнечной энергии. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток согласно изобретению включает операцию введения в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя краунзамещенных порфиринатов металлов, при этом краунзамещенные порфиринаты металлов вводят в концентрации от 0.1 до 50 мас.%. Изобретение обеспечивает возможность значительно повысить эффективность органических полимерных преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию, кроме того, использование полимерных активных слоев позволяет получать преобразователи на гибкой основе, большой площади и простыми технологическими способами. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.
Description
В последние годы широкое распространение нашли фотовольтаические преобразователи солнечной энергии на основе кремния в различных модификациях. Эти преобразователи характеризуются высокими значениями КПД преобразования солнечной энергии в электричество, однако имеют ряд существенных недостатков:
1. Сложная технология получения фотоактивных кремниевых слоев.
2. Сложная технология формирования преобразователей в конечном виде.
3. Невозможность изготовления преобразователя большой площади.
4. Невозможность получения преобразователей на гибкой основе.
5. Высокая стоимость кремниевых преобразователей.
Все эти недостатки отсутствуют в органических полимерных преобразователях, однако по значению КПД преобразования они существенно уступают кремниевым преобразователям. Повышение КПД органических полимерных фотовольтаических преобразователей является первоочередной задачей.
В настоящее время максимальное сертифицированное значение КПД для полимерных преобразователей составляет 6.1%. Основным компонентом фотоактивного слоя в этом преобразователе является специально синтезированный сложного состава полимер - поли [N-9'-гептадеканил-2,7-карбазол-аlt-5,5-(4',7'-ди-2-тиенил-2',1',3'-бензотиадиазол)] {англ.: poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]}. Этот полимер получается многостадийным синтезом и вряд ли может найти широкое применение. Поэтому актуальна задача создания органических полимерных преобразователей на основе промышленно выпускаемых или легко синтезируемых компонентов.
В качестве исходных брали хорошо изученные полимерные композиции для активных слоев преобразователей. В примере 1 приведен способ изготовления и характеристики хорошо известного преобразователя на основе фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофена (П3ГТ) и метилового эфира [6,6]-фенил-С(61) масляной кислоты (МЭ-С61-МК). КПД этого преобразователя равен 3.65% (пример 1). Введение в слой мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (краунпорфиринат Ni(II)) увеличивает КПД до 4%, то есть на 10% (пример 2). Краунпорфиринат Ni(II), по-видимому, играет двоякую роль: во-первых, увеличивает поглощение солнечного света, так как имеет интенсивную полосу поглощения в видимой области оптического спектра при 420 нм и 530 нм. Во-вторых, учитывая большой объем молекулы за счет краун-заместителей, можно предположить, что они являются своеобразными дефектами структуры, на которых происходит развал фотогенерированных экситонов с образованием носителей заряда. Оба эффекта приводят к увеличению тока короткого замыкания и КПД. Эти соображения подтверждаются на примере пары полимерных преобразователей на основе донорно-акцепторной композиции поли-2-метокси-5-(2-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилена (ПМЭГ-ФВ) и МЭ-С61МК. Добавление в этот активный слой мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) также приводит к увеличению КПД от 0.9 (пример 3) до 1.0 (пример 4), то есть на 10%. Мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинаты металлов, использованные при изготовлении полимерной композиции, были синтезированы согласно [2, 3].
Пример 1.
Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из комплекса поли(этилен-диокситиофена)/поли(сульфокислоты) - ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофен (П3ГТ) и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:0.08) толщиной 190-200 нанометров, где полимер П3ГТ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 3.65% при интенсивности солнечного излучения 22 мВт/см2.
Пример 2.
Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции поли-3-гексилтиофен (П3ГТ), МЭ-С61-МК и мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (в массовом соотношении 57.3:42.2:0.5) толщиной 190-200 нанометров, где полимер П3ГТ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов, порфиринат никеля(II) - сенсибилизирующей добавкой. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 4.0% при интенсивности солнечного излучения 22 мВт/см2.
На рис.1 представлена вольт-амперная характеристика ФВП, содержащего фоточувствительную донорно-акцепторную композицию из поли-3-гексилтиофена, производного фуллерена МЭ-С61-МК и мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината никеля(II) (в массовом соотношении 57.3:42.2:0.5), при облучении солнечным светом. КПД=4.0%.
Пример 3.
Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нм. На поверхность этого слоя наносили раствор в хлорбензоле фоточувствительной донорно-акцепторной композиции ПМЭГ-ФВ и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) толщиной 190-200 нм, где полимер ПМЭГ-ФВ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа Ar. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 0.9% при интенсивности солнечного излучения 10 мВт/см2.
Пример 4.
Для приготовления органического ФВП в качестве подложки брали стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим слоем из ITO и наносили водный раствор композиции, состоящей из ПЭДОТ/ПССК. Образец сушили последовательно при комнатной температуре в течение 3 часов и в термошкафу при 120°С в течение 15 мин. Полученный слой композиции ПЭДОТ/ПССК имел толщину 30-40 нанометров. На его поверхность наносили раствор фоточувствительной донорно-акцепторной композиции в хлорбензоле и получали слой толщиной 190-200 нанометров. Состав композиции: ПМЭГ-ФВ и МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) с добавлением мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) в количестве 5 мас.%, где полимер ПМЭГ-ФВ является донором электронов, производный фуллерена МЭ-С61-МК - акцептором электронов, порфиринат осмия служит сенсибилизирующей добавкой. Образец сушили при комнатной температуре в течение 1-2 суток в атмосфере инертного газа Аr. Далее в вакуумной установке методом термического распыления (термодиффузии) наносили последовательно буферный слой LiF толщиной 0,8 нм и алюминиевый электрод толщиной от 50 до 100 нм. Изготовленный ФВП имеет КПД 1.0% при интенсивности солнечного излучения 10 мВт/см2. На рис.2 представлена вольт-амперная характеристика ФВП, содержащего фоточувствительную донорно-акцепторную композицию из ПМЭГ-ФВ, МЭ-С61-МК (в массовом соотношении 1:4) с добавлением мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфината осмия(II) в количестве 5 мас.%, при облучении солнечным светом. КПД=1.0%.
Как следует из приведенных примеров, введение краунзамещенных порфиринатов металлов в активный слой органических фотовольтаических преобразователей приводит к увеличению эффективности преобразования солнечного света в электрическую энергию на 10%. Интервал мас.% от 0.1 до 50 определяется тем, что при концентрациях краунзамещенного порфирината металла, меньших 0.1 мас.%, увеличение эффективности составляет ~1%, что близко к точности его определения, а при концентрациях, больших 50 мас.%, эффективность падает до 5% за счет того, что поглощение начинает перекрывать поглощение основных компонентов активного слоя. При дальнейшем увеличении концентрации краунзамещенного порфирината металла падение эффективности еще более усиливается. Если краунзамещенный порфиринат металла содержится в активном слое в количестве от 0.1 до примерно 0.5 мас.%, то он находится в мономолекулярной форме. При остальных концентрациях краунзамещенный порфиринат металла присутствует в активном слое в виде смеси мономолекулярной формы и молекулярных агрегатов.
Литература
1. S.H.Park, A. Roy, S. Beaupre et al. // Nature Photonics, 2009, V.3. P.297-303.
2. А.Ю.Чернядьев, Н.М.Логачева, А.Ю.Цивадзе // Журнал неорганической химии, 2006. Т. 51. С.788.
3. Ю.А.Плачев, А.Ю.Чернядьев, А.Ю.Цивадзе // Журнал неорганической химии, 2009. Т.54. С.612.
Claims (8)
1. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток, отличающийся тем, что в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя вводят краунзамещенные порфиринаты металлов.
2. Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток, отличающийся тем, что в фотоактивный полимерный слой органического фотовольтаического преобразователя вводят краунзамещенные порфиринаты металлов в концентрации от 0,1 до 50 мас.%.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве краунзамещенного порфирината металла используется мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II).
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II) используется в мономолекулярной форме.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат никеля(II) используется в виде молекулярных агрегатов.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве краунзамещенного порфирината металла используется мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия(II).
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия (II) используется в мономолекулярной форме.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что мезо-тетра(бензо-15-краун-5)порфинат осмия (II) используется в виде молекулярных агрегатов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104126/28A RU2469440C2 (ru) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104126/28A RU2469440C2 (ru) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011104126A RU2011104126A (ru) | 2012-08-20 |
| RU2469440C2 true RU2469440C2 (ru) | 2012-12-10 |
Family
ID=46936051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011104126/28A RU2469440C2 (ru) | 2011-02-07 | 2011-02-07 | Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2469440C2 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2071148C1 (ru) * | 1994-05-27 | 1996-12-27 | Вологодский Политехнический Институт | Способ изготовления твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию |
| RU2264677C2 (ru) * | 2000-07-21 | 2005-11-20 | Норт Каролина Стейт Юниверсити | Солнечные элементы, включающие в себя цепочки для аккумуляции света |
| EP1756885A2 (en) * | 2004-04-13 | 2007-02-28 | The Trustees Of Princeton University | High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions |
| WO2010088723A1 (en) * | 2009-02-03 | 2010-08-12 | University Of Wollongong | Dye composition for use in photoelectric material |
-
2011
- 2011-02-07 RU RU2011104126/28A patent/RU2469440C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2071148C1 (ru) * | 1994-05-27 | 1996-12-27 | Вологодский Политехнический Институт | Способ изготовления твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию |
| RU2264677C2 (ru) * | 2000-07-21 | 2005-11-20 | Норт Каролина Стейт Юниверсити | Солнечные элементы, включающие в себя цепочки для аккумуляции света |
| EP1756885A2 (en) * | 2004-04-13 | 2007-02-28 | The Trustees Of Princeton University | High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions |
| WO2010088723A1 (en) * | 2009-02-03 | 2010-08-12 | University Of Wollongong | Dye composition for use in photoelectric material |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Fernando Fungo, et al, synthesis porphyrin dyads with potential use in solar energy conversion, j.Mater. Chem., 2000, 10, p.645-650. * |
| Палычев Ю.А. и др. Флуорензамещенные порфиринаты Ni(II), Pd(II) и Mg(II): синтез, строение и люминесцентные свойства, «Физико-химия нано- и супермолекулярных систем - 2008» 11-12 ноября 2008. * |
| Палычев Ю.А. и др. Флуорензамещенные порфиринаты Ni(II), Pd(II) и Mg(II): синтез, строение и люминесцентные свойства, «Физико-химия нано- и супермолекулярных систем - 2008» 11-12 ноября 2008. Fernando Fungo, et al, synthesis porphyrin dyads with potential use in solar energy conversion, j.Mater. Chem., 2000, 10, p.645-650. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011104126A (ru) | 2012-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gangala et al. | Spiro-linked organic small molecules as hole-transport materials for perovskite solar cells | |
| Wan et al. | Achieving over 21% efficiency in inverted perovskite solar cells by fluorinating a dopant-free hole transporting material | |
| Cheng et al. | Phenoxazine-Based Small Molecule Material for Efficient Perovskite Solar Cells and Bulk Heterojunction Organic Solar Cells. | |
| Kazim et al. | A dopant free linear acene derivative as a hole transport material for perovskite pigmented solar cells | |
| Li et al. | Non-fullerene polymer solar cells based on a selenophene-containing fused-ring acceptor with photovoltaic performance of 8.6% | |
| Tian et al. | Improved performance and stability of inverted planar perovskite solar cells using fulleropyrrolidine layers | |
| Rousseau et al. | BODIPY derivatives as donor materials for bulk heterojunction solar cells | |
| Jiang et al. | Efficient perovskite solar cells employing a solution-processable copper phthalocyanine as a hole-transporting material | |
| Zhang et al. | High consistency perovskite solar cell with a consecutive compact and mesoporous TiO2 film by one-step spin-coating | |
| JP2010267612A (ja) | 光電変換素子及び太陽電池 | |
| Murata et al. | Modification of the σ-framework of [60] fullerene for bulk-heterojunction solar cells | |
| JP2018515919A (ja) | ペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスの製造方法及びペロブスカイトベースの太陽電池 | |
| CN111471007A (zh) | 富勒烯衍生物和n型半导体材料 | |
| Liu et al. | Highly π-extended copolymer as additive-free hole-transport material for perovskite solar cells | |
| JP2011165963A (ja) | 有機色素及び有機薄膜太陽電池 | |
| Huang et al. | Molecularly engineered thienyl-triphenylamine substituted zinc phthalocyanine as dopant free hole transporting materials in perovskite solar cells | |
| Arivunithi et al. | Introducing an organic hole transporting material as a bilayer to improve the efficiency and stability of perovskite solar cells | |
| Ohshita et al. | Synthesis of spirodithienogermole with triphenylamine units as a dopant-free hole-transporting material for perovskite solar cells | |
| Pegu et al. | Tetra-indole core as a dual agent: a hole selective layer that passivates defects in perovskite solar cells | |
| JP5396987B2 (ja) | 光電変換素子及び太陽電池 | |
| JP2010277998A (ja) | 光電変換素子及び太陽電池 | |
| JP2010277991A (ja) | 光電変換素子及び太陽電池 | |
| Wang et al. | Dopant-free mexylaminotriazine molecular glass hole transport layer for perovskite solar cells | |
| RU2469440C2 (ru) | Способ изготовления органического фотовольтаического преобразователя солнечной энергии в электрический ток | |
| Wu et al. | Cu (I) chelated poly-alkoxythiophene enhancing photovoltaic device composed of a P3HT/PCBM heterojunction system |