RU2515114C2 - Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую - Google Patents
Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую Download PDFInfo
- Publication number
- RU2515114C2 RU2515114C2 RU2012132867/28A RU2012132867A RU2515114C2 RU 2515114 C2 RU2515114 C2 RU 2515114C2 RU 2012132867/28 A RU2012132867/28 A RU 2012132867/28A RU 2012132867 A RU2012132867 A RU 2012132867A RU 2515114 C2 RU2515114 C2 RU 2515114C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- light energy
- substrate
- converting light
- electrical energy
- 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)
Abstract
Изобретение относится к технологиям изготовления приборов, содержащих фотоэлементы, используемые в качестве преобразователей световой энергии. Согласно изобретению способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианинов для преобразования световой энергии в электрическую включает нанесение на подложку из неорганического полупроводника n-типа органического полимера с полупроводниковыми свойствами и размещение их между двумя электродами, при этом в качестве органического полимера используют антрацианин меди (р-CuAc) или антрацианин цинка (p-ZnAc), который наносят в вакууме слоем толщиной 15-20 нм на подложку из арсенида галлия (nGaAs). Преобразование световой энергии в электрическую в способе согласно изобретению проходит с большей эффективностью: КПД возрастает на 2% по сравнению с известными аналогами. 3 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к области фотоэлектронной техники, в частности к технологиям изготовления приборов, содержащих фотоэлементы, используемые в качестве преобразователей световой энергии. Изобретение может быть использовано для создания твердотельных преобразователей световой энергии в электрическую.
Среди способов преобразования световой энергии (в т.ч. солнечной энергии и других излучений в видимой и ультрафиолетовой областях спектра) способ изготовления и использования фотоэлементов имеет ряд неоспоримых достоинств, к которым можно отнести: а) прямое преобразование энергии световых квантов в электричество; б) разнообразие элементной базы для создания солнечных фотоэлементов (СФЭ); в) отработанные технологии и возможность создания модульных систем различной мощности. Относительные недостатки таких способов связаны с высокой себестоимостью СФЭ и энергетических станций на их основе и высокой токсичностью производства материалов для фотоэлементов («солнечного» кремния, полупроводников, содержащих кадмий, мышьяк, селен, теллур и т.д.).
В последние годы наметились пути преодоления этих недостатков, связанные с использованием новых технологий, в том числе нанотехнологий, новых полупроводниковых органических материалов и принципиально новых конструкций гетеропереходных СФЭ.
Известны способы [1] изготовления тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей «сэндвичевой» структуры, которые включают нанесение фоточувствительного слоя из органического вещества на подложку и размещение его между двумя электродами. Однако они очень трудоемкие и дорогостоящие.
Существует большое количество работ, посвященных полупроводниковым свойствам фталоцианинов. Например, известен способ [2] повышения полупроводниковых свойств приборов за счет использования слоев из монофталоцианина двухвалентных металлов.
Известен способ [3] изготовления твердотельного фотогальванического элемента для преобразования световой энергии в электрическую, включающий нанесение фоточувствительного слоя из органического полупроводника на подложку из органического полупроводника и размещение их между электродами. Способ заключается в том, что на подложку из неорганического полупроводника n-типа (CdTe) наносят слой органического полупроводника поли-N-эпоксипропилкарбазола, а на него - металлический электрод. Однако известный способ дает невысокий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования энергии света в электрическую.
Известен способ изготовления твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию [4], наиболее близкий к заявляемому изобретению. Сущность его основана на том, что фталоцианиновые макроциклы обладают полупроводниковыми свойствами. Классический р-n переход происходит при контакте двух областей, в которых присутствует фталоцианин меди. Способ заключается в том, что на подложку из неорганического полупроводника n-типа арсенида галлия (GaAs) наносится вакуумным напылением тонкий слой органического полупроводника р-типа фталоцианина меди (СuРс).
Недостатком известного способа является его низкий КПД, который не превышает 4%. Достаточно низкий КПД связан с тем, что потенциал ионизации используемого фталоцианина меди (СuРс) выше, чем у некоторых известных на сегодняшний день фталоцианинов и их производных, а спектральная светочувствительность лежит в узком диапазоне. Другим большим недостатком известного способа является его высокая стоимость за счет использования дорогостоящих и затратных материалов на производство подложки.
Предлагаемый способ лишен указанных недостатков.
Технический результат заявляемого способа состоит в увеличении КПД твердотельного фотоэлемента и, следовательно, понижении поверхностного потенциала ионизации, а также существенном снижении стоимости всего технологического процесса изготовления фотоэлемента за счет нанесения на подложку из неорганического полупроводника n-типа арсенида галлия (GaAs) тонкого слоя органического полупроводника р-типа антрацианина меди (СuАс).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианинов для преобразования световой энергии в электрическую, включающий нанесение на подложку из неорганического полупроводника n-типа органического полимера с полупроводниковыми свойствами и размещение их между двумя электродами, отличающийся тем, что в качестве органического полимера используют антрацианин меди (р-CuAc) или антрацианин цинка (p-ZnAc), который наносят в вакууме слоем толщиной 15-20 нм на подложку из арсенида галлия (nGaAs).
Сущность заявленного изобретения состоит в оптимизации фотоэлектронных характеристик и улучшении фотоэлектрических параметров органических полупроводников за счет оценки и учета параметров ионизационной способности материалов на основе фталоцианинов с целью использования их в фотоэлектрических преобразователях.
Фотоэлектрические параметры, такие как потенциал ионизации, распределение электронного заряда в зависимости от строения вещества являются одними из важнейших характеристик, определяющих способность вещества к переносу и накоплению заряда. В связи с этим их определение является необходимым этапом проектирования и тестирования различных фотоэлектрических и оптоэлектронных приборов (таких, например, как светодиодов, фотодиодов и элементов солнечных батарей).
Задача определения изменения электронных свойств материалов и фотопроводимости вещества в электромагнитном поле подложки может быть решена с помощью модели взаимодействия многоцентровой многозарядной системы с диэлектриками и металлом.
Сущность заявленного способа иллюстрируется Фиг.1-3.
На Фиг.1 представлена схема фотоэлектронных уровней фталоцианина меди (1) и антрацианина меди (2). Видно, что энергии уровней изменяются определенным образом при замене вещества. Разница между уровнями и энергия отрыва электрона уменьшаются при переходе от фталоцианина к антрацианину меди.
На Фиг.2 сравниваются спектральные характеристики нанесенного фоточувствительного слоя твердотельного элемента n-GaAs/p-AcPc (сплошная линия) и прототипа (пунктир).
На Фиг.3 представлена зависимость энергии связи от диэлектрической проницаемости.
Заявляемый способ был многократно апробирован в лабораторных условиях на базе Санкт-Петербургского государственного университета, результаты исследований которого приведены в таблицах и примерах конкретной реализации.
Пример 1.
На пластину арсенида галлия толщиной 0.2 мм, предварительно подвергнутую травлению, наносят тыловой электрод из меди. С другой стороны поверхности арсенида галлия (nGaAs) в вакууме напыляют фоточувствительный слой антрацианина меди (СиАс), толщиной 15 нм. На слой антрацианина меди наносят тонкий слой золота, пропускающий 15-20% падающего света.
Пример 2.
На пластину арсенида галлия (nGaAs) толщиной 0.2 мм, предварительно подвергнутую травлению, наносят тыловой электрод из меди. С другой стороны поверхности арсенида галлия (nGaAs) в вакууме напыляют фоточувствительный слой антрацианина меди, толщиной 20 нм. На слой антрацианина меди наносят тонкий слой золота, пропускающий 15-20% падающего света.
Таблица 1 | ||||
Способ изготовле-ния | Потенциал ионизации фоточувствительного слоя, эВ | Потенциал ионизации фоточувствительного слоя на подложке, эВ | Область спектральной чувствительности, нм | КПД, % |
Заявляемый способ | 5.3 | 4.4 | 200-1500 | 6 |
Известный способ(по прототипу) | 6.4 | 5.2 | 200-1000 | 4 |
Как показали результаты проведенных испытаний (в примерах 1 и 2), заявляемый способ имеет более высокий КПД по сравнению с прототипом, что видно из таблицы 1.
Пример 3.
На пластину арсенида галлия толщиной 0.2 мм, предварительно подвергнутую травлению, наносят в качестве органического полимера антрацианин цинка (p-ZnAc).
Была протестирована известная молекула фталоцианина цинка на подложках с различной диэлектрической проницаемостью и на разных расстояниях от поверхности. Модель создана в формализме матрицы плотности и показывает, каким образом изменятся фотохимические и фотоэлектронные свойства, определяемые потенциалом ионизации с учетом влияния поверхности подложки.
На основе этой же модели получены фотоэлектрические характеристики новых структур, являющихся предметом изобретения. Диэлектрическая проницаемость варьировалась от 1.5 до 100, что включает в себя практически весь диапазон ее изменения. Для металлов диэлектрическую проницаемость можно принять равной бесконечности.
Энергия взаимодействия однозарядного иона с поверхностью гораздо больше энергии взаимодействия нейтральной молекулы. Изменение этой величины будет, в основном, определять изменение потенциала ионизации молекулы на поверхности.
С помощью модели взаимодействия многоцентровой многозарядной системы с диэлектриками и металлом с использованием метода электростатических изображений, можно, например, получить выражение для энергии притяжения системы зарядов к плоской поверхности однородной среды с диэлектрической проницаемостью ξ
где: ξ - диэлектрическая проницаемость - безразмерная величина (равна 1 для вакуума, лежит в диапазоне от 2 до 10 для диэлектриков и может быть приравнена бесконечности для металлов), ζ - эффективный заряд атома, RАВ - расстояние между зарядами атомов А и В, r
- расстояние между зарядом и поверхностью, суммирование проводится по всем атомам системы.
Учитывая плоское строение рассматриваемых структур, получаем выражение для энергии взаимодействия молекулы с поверхностью:
Заряд qA на атоме (ZA - заряд ядра) можно определить как:
где: Раb - одноэлектронная матрица плотности, представленная в базисе атомных орбиталей:
Были получены значения энергии взаимодействия плоских молекул с подложкой (диэлектриком или металлом). Если отдельно рассчитать энергию взаимодействия для нейтральной молекулы и для ионизированной (катион-радикала) и ввести эту поправку в значения энергий при вычислении потенциалов ионизации, то можно судить о том, как изменятся ионизационные и фотохимические свойства молекулы под влиянием поля подложки.
Кривая изменения потенциала ионизации в зависимости от, как следует из Фиг.3, показывает, что значительное падение потенциала ионизации наблюдается на поверхностях веществ со значениями диэлектрической проницаемости до 7.5.
От значений ξ=7.5 до ξ=11.5 потенциал меняется не существенно. В эту область попадают оксиды различных металлов и кремний, чаще всего использующиеся в качестве подложек. Затем кривая асимптотически стремится к значению 4.7.
По мере удаления молекулы от поверхности влияние подложки на фотоэлектронные свойства молекулы уменьшается. Но даже для сравнительно большого расстояния 5.3 Å оно все равно заметно, потенциал ионизации понижается на 0.69 эВ.
Результаты модельного испытания показали, что изменение структуры веществ, используемых в производстве солнечных батарей - фталоцианинов цинка и меди (за счет присоединения дополнительных бензольных колец в плоскости молекулы) приводит к значительному уменьшению потенциала ионизации (работы выхода электрона), что, в конечном итоге, приводит к увеличению эффективности фотоэлектрических параметров. Наиболее оптимальной с этой точки зрения является новая структура ZnС64N8Н32, с нанесенным слоем на подложку из кремния, как это видно из таблицы 2, в которой приведены потенциалы ионизации на поверхности Si.
Таблица 2 | ||||
Si (ξ=11.7) | Энергия HF (а.е.) | Разность энергий ΔI (а.е.) | Потенциал ионизации Iпов (эВ) | |
r=3.213 а.е. | Нейтральная молекула Uнейтр | Ионизированная молекула Uкaт | ||
ZnC32N8H16 | -0.0160 | -0.0595 | 0.1834 | 4.9903 |
ZnC48N8H24 | 0.0190 | -0.0564 | 0.1659 | 4.5141 |
ZnC64N8H32 | -0.0220 | -0.0545 | 0.1570 | 4.2720 |
Аналогичные результаты зависимости поверхностного потенциала ионизации были получены и при тестировании молекул фталоцианина меди и антрацианина меди.
Таким образом, для достижения указанного технического результата в заявляемом способе, в качестве органического полимера используют антрацианин меди (р-CuAc) или антрацианин цинка (p-ZnAc), обладающие низким потенциалом ионизации, не превышающим 5.3 эВ.
Органический полимер в виде антрацианина меди (р-CuAc) или антрацианина цинка (p-ZnAc) наносят в вакууме слоем толщиной 15-20 нм на подложку из арсенида галлия (nGaAs).
Как показали результаты апробаций, КПД заявленного способа возрастает примерно на 2% по сравнению со способами, известным из уровня техники.
Кроме того, существенным является также и снижение стоимости изготовления за счет уменьшения толщины подложки и нанесения на нее органического полупроводника р-типа - антрацианина меди (р-CuAc).
Значительный технический эффект от использования заявляемого способа состоит в том, что преобразование световой энергии в электрическую проходит с большей эффективностью за счет более низкого потенциала ионизации вещества, составляющего фоточувствительный слой (СuАс), что, как показано выше, повышает КПД и, кроме того, снижает уровень временных затрат на достижение такого преобразования, а также, в целом, и стоимость всего технологического процесса.
Список используемых источников информации
1. Патент США №3844843, кл. Н01L 15/02,1975;
2. Патент США №4987430, кл. Н01L 29/28,1991;
3. Патент РФ №1806424, кл. Н01L 31/04, 1993;
4. Патент РФ №2071148, кл. Н01L 31/18, 1994 (прототип).
Claims (1)
- Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианинов для преобразования световой энергии в электрическую, включающий нанесение на подложку из неорганического полупроводника n-типа органического полимера с полупроводниковыми свойствами и размещение их между двумя электродами, отличающийся тем, что в качестве органического полимера используют антрацианин меди (р-CuAc) или антрацианин цинка (p-ZnAc), который наносят в вакууме слоем толщиной 15-20 нм на подложку из арсенида галлия (nGaAs).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132867/28A RU2515114C2 (ru) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132867/28A RU2515114C2 (ru) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012132867A RU2012132867A (ru) | 2014-02-27 |
RU2515114C2 true RU2515114C2 (ru) | 2014-05-10 |
Family
ID=50151430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012132867/28A RU2515114C2 (ru) | 2012-08-01 | 2012-08-01 | Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2515114C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2747914C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-05-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Фотохимический способ преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2586263C1 (ru) * | 2014-12-08 | 2016-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Аналитические приборы и специальные технологии защиты" | Гибридный многослойный фотоэлектрический преобразователь |
Citations (3)
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 |
RU2282272C1 (ru) * | 2005-04-05 | 2006-08-20 | Вологодский государственный технический университет | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С p-i-n-СТРУКТУРОЙ |
RU2408954C1 (ru) * | 2009-11-20 | 2011-01-10 | Валерий Васильевич Лунин | Преобразователь солнечной энергии в электрическую и тепловую |
-
2012
- 2012-08-01 RU RU2012132867/28A patent/RU2515114C2/ru active
Patent Citations (3)
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 |
RU2282272C1 (ru) * | 2005-04-05 | 2006-08-20 | Вологодский государственный технический университет | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С p-i-n-СТРУКТУРОЙ |
RU2408954C1 (ru) * | 2009-11-20 | 2011-01-10 | Валерий Васильевич Лунин | Преобразователь солнечной энергии в электрическую и тепловую |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2747914C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-05-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Фотохимический способ преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012132867A (ru) | 2014-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Werner et al. | Perovskite/perovskite/silicon monolithic triple-junction solar cells with a fully textured design | |
US10333017B2 (en) | Hole blocking, electron transporting and window layer for optimized CuIn(1−x)Ga(x)Se2 solar cells | |
Singh et al. | Performance analysis of RF-sputtered ZnO/Si heterojunction UV photodetectors with high photo-responsivity | |
Tumelero et al. | Unraveling the native conduction of trichalcogenides and its ideal band alignment for new photovoltaic interfaces | |
Sun et al. | Self-assembled nanometer-scale ZnS structure at the CZTS/ZnCdS heterointerface for high-efficiency wide band gap Cu2ZnSnS4 solar cells | |
US8962992B2 (en) | Dilute group III-V nitride intermediate band solar cells with contact blocking layers | |
Raj et al. | High-efficiency solar cells from extremely low minority carrier lifetime substrates using radial junction nanowire architecture | |
Yuan et al. | Significantly enhanced detectivity of CIGS broadband high-speed photodetectors by grain size control and ALD-Al2O3 interfacial-layer modification | |
Liu et al. | Back contact interfacial modification in highly-efficient all-inorganic planar nip Sb2Se3 solar cells | |
Liu et al. | Light-bias-dependent external quantum efficiency of kesterite Cu2ZnSnS4 solar cells | |
US20110248370A1 (en) | Electromagnetic radiation converter with a battery | |
US20180138347A1 (en) | A material structure for a solar cell, a solar cell and a method for manufacturing a material structure | |
Chantana et al. | Characterization of Cd-Free Zn1–x Mg x O: Al/Zn1–x Mg x O/Cu (In, Ga)(S, Se) 2 Solar Cells Fabricated by an All Dry Process Using Ultraviolet Light Excited Time-Resolved Photoluminescence | |
Jia et al. | High-performance electron-transport-layer-free quantum junction solar cells with improved efficiency exceeding 10% | |
Bablich et al. | Few-layer MoS2/a-Si: H heterojunction pin-photodiodes for extended infrared detection | |
Cho et al. | Optimal CdS buffer thickness to form high-quality CdS/Cu (In, Ga) Se2 junctions in solar cells without plasma damage and shunt paths | |
JP4949520B2 (ja) | 波長選択的吸収層の堆積を含む多重接合光電子デバイス、製造方法、及び、集積回路、 | |
RU2515114C2 (ru) | Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина для преобразования световой энергии в электрическую | |
Farhadi et al. | An optimized efficient dual junction InGaN/CIGS solar cell: a numerical simulation | |
Kukreti et al. | Designing Graded Band Gap Active Layer Cu2HgSn (S1–x Se x) 4 over Complex Tandem Structure for Efficient Photovoltaic Cells with Efficiency> 20% | |
Nowsherwan et al. | Numerical Modeling and Optimization of Perovskite Silicon Tandem Solar Cell Using SCAPS-1D | |
Naseri et al. | An efficient double junction CIGS solar cell using a 4H-SiC nano layer | |
Sharma et al. | Bulk parameters effect and comparative performance analysis of p-Si/n-CdS/ALD-ZnO SOLAR Cell | |
Verbitskiĭ et al. | Properties of the CuInS 2 surface and the effect of organic layers | |
Daoudi et al. | Investigations on the Optimization of Contacts Barrier Height for the Improved Performance of ZnO/CdS/CZTS Solar Cells |