2
Многослойный солнечный элемент на основе металлооксидов CuO, ZnO

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована при изготовлении гетеропереходных тонкопленочных солнечных элементов.
Существует большое количество патентов, представляющих структуру и технологию изготовления солнечных элементов на основе гетеропереходов. Отличительными особенностями являются либо структура, либо используемые материалы, либо технология изготовления.
2
2
4
2
4
В патенте [RU 2415495 С2] показан фотоэлектрический элемент на основе гетероструктур, который представляет собой двухэлектродный прибор и включает в себя верхний электрод и задний электрод. Верхний электрод выполнен из прозрачного проводящего материала, например SnO (оксид олова), ITO (оксид индия-олова), ZnO (оксид цинка), ZnSnO (станнат цинка), CdSnO (станнат кадмия) или InTiO (оксид индия-титана). Задний электрод, по меньшей мере, частично выполнен из металла, такого как Al (алюминий) или Ag (серебро), металлического сплава или прозрачного проводящего материала. В одном варианте воплощения задний электрод выполнен из комбинации металла и прозрачного проводящего материала, причем первый расположен ближе к внешней стороне фотоэлектрического элемента.
В полезной модели [RU 192815 U1] показан фотоэлектрический элемент, представляющий собой стеклянную подложку, на которую методом магнетронного распыления последовательно нанесены нижний сплошной электрод, фотопреобразующий слой, представляющий собой p-n-переход на основе структуры ZnO/CuO, и верхний электрод, выполненный в виде сетки.
Технический результат состоит в повышении эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую в видимом диапазоне излучения при использовании достаточно простой технологии изготовления.
Технический результат достигается тем, что тонкопленочный фотоэлектрический элемент, содержащий стеклянную подложку, электрод и фотопреобразующую структуру, согласно полезной модели, на стеклянную подложку методом магнетронного распыления последовательно нанесены нижний сплошной электрод, фотопреобразующий слой, представляющий собой p-n-переход, выполненный на основе тонких пленок оксида цинка и оксида меди, и верхний электрод, выполненный в виде сетки, электроды выполнены из металла, например, Cr, Cu, Al.
В патенте [WO 2012103528 А2] показаны новые способы изготовления тонких пленок из оксидов металлов и тонких пленок из композитных металлов, полученных из наноматериалов, посредством процессов растворения при низких температурах (<400°С). (В том числе для фотоэлектрических устройств). Окислитель и топливо в представленных композициях реагируют, вызывая горение, генерирующее собственную энергию. Самогенерируемое тепло от реакции прекурсоров обеспечивает локализованный источник энергии, тем самым устраняя необходимость в высоких, прикладываемых извне температурах обработки, чтобы управлять завершением решетки оксида металла. Следовательно, настоящие составы обеспечивают образование оксида металла при температурах, намного ниже, чем при использовании традиционных золь-гель-предшественников.
В патенте [RU2698533C1 20190828] предложен металлооксидный солнечный элемент на основе наноструктурированных слоев металлооксида, сенсибилизированного поглощающей свет субстанцией, включающий проводящий слой из оксида олова, допированного фтором или индием, и противоэлектрод, при этом в качестве поглощающей свет субстанции он содержит органический краситель или квантовые точки, а противоэлектрод выполнен в виде пленки из композитного материала на основе графена и наночастиц редкоземельного элемента, нанесенной на проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием. Органический краситель поглощает свет в диапазоне 400-750 нм, а квантовые точки - в диапазоне 500-1300 нм солнечного спектра. Изобретение обеспечивает стабильную работу металлооксидного солнечного элемента, высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, позволяет существенно уменьшить стоимость солнечного элемента и упростить процесс его конструирования.
2
2
3
2
[CN 103107205 А] Изобретение относится к металлооксидному полупроводниковому элементу на основе оксида цинка на графитовой подложке. Элемент на основе оксида цинка на графитовой подложке, отличающийся тем, что на нем применяют метод радиочастотного магнетронного распыления, на котором выращивают тонкий слой (например, SiO, GaO, ZnMgO, VO или MgO) и полупроводниковый слой ZnO, поверхность материала графитовой подложки, которая имеет свойство высокой проводимости и теплопроводность последовательно для подготовки и получения МОП-элемента на основе оксида цинка (ZnO). Контролируются мощность радиочастотного магнетронного распыления, степень вакуума в полости, температура подложки и процесс отжига следящих элементов, достигается эффективный контроль качества кристаллов приготовленного и полученного изолирующего слоя и тонкой пленки полупроводника ZnO, и дальнейшее управление электрическими свойствами МОП-элемента на основе ZnO.
В [US20080280058A1] показан способ получения наноструктурированных слоев оксида цинка на подложке путем химического распылительного пиролиза при умеренных температурах осаждения от 350 до 600°С. Водный или водно-спиртовой раствор, содержащий хлорид цинка или ацетат цинка в качестве предшественников, готовят и распыляют на предварительно нагретый субстрат, так что предшественник реагирует с образованием слоя оксида цинка на субстрате. Тиомочевина или мочевина также могут быть добавлены к раствору. В качестве подложки можно использовать стекло, покрытое кремнием или оксидом металла.
В [US8614393] раскрыт способ изготовления фотоэлемента на основе оксида цинка полностью путем химического распылительного пиролиза. Эффективность до 3,9% достигается простым непрерывным процессом без вакуума.
2
В качестве прототипа выбран солнечный элемент [патент RU 192815 U1], представляющий собой p-n-переход на основе структуры ZnO/CuO на стеклянной подложке, слои которого нанесены при помощи магнетронного распыления. Недостатком данного элемента является конструкция прибора, требующая использования толстых пленок ZnO при этом сетчатый металлический электрод снижает световой поток, проходящий через слой ZnO, а также трудоемкая технология изготовления структуры с помощью магнетронного многослойного распыления, требующая дорогостоящего оборудования и дополнительных технических операций для кристаллизации нанесенных аморфных слоев. В представленном в полезной модели солнечном элементе указанные недостатки предлагается устранить при помощи замены металлического электрода к ZnO на сплошной прозрачный слой SnO:Sb, который является низкоомным, выполняет функцию электрода и позволяет использовать ZnO в виде тонкого буферного слоя, не уменьшая световой поток. Также предлагается использовать альтернативные методы изготовления тонких пленок металлооксидов (методы спрей-пиролиза и электрохимического осаждения). Метод спрей-пиролиза позволяет за счет подбора температурного режима выполнить изготовление (кристаллизованных) слоев металлооксидов без дополнительной термообработки.
2
2
Полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1), где представлена схема фотовольтаического преобразователя. Металлооксидный тонкопленочный солнечный элемент имеет следующую структуру: стеклянная прозрачная подложка 1, на которую нанесено методом спрей-пиролиза прозрачное проводящее оптическое окно 2, состоящие из SnO:Sb легированное 1,5% Sb, затем фотопреобразующий слой, представляющий р-n переход между буферным слоем ZnO 3 и оксида меди 4 оксид меди (CuO), далее последний слой 5, представляющий собой сплошной металлический омический контакт Me, выполненный из таких материалов как, например, (Cu, Cr, Al, Ni). Направление солнечного излучения показано стрелками.
2
2
Технический результат - создание тонкопленочного фотовольтаического преобразователя энергии на основе структур Me/CuO/ZnO/SnO:Sb с повышенным коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую и снижением себестоимости изготовления за счет простой и экономичной технологии.
2
2
2
2
2
Технический результат достигается тем, что металлооксидный тонкопленочный фотовольтаический элемент, состоит из стеклянной подложки, на которую нанесены металлооксиды методом спрей-пиролиза, который позволяет за счет подбора температурного режима выполнить изготовление кристаллизованных слоев в едином технологическом цикле и сократить тем самым количество технических операций и снизить себестоимость изделия по сравнению с магнетронным напылением, который, как правило, требует проведения дополнительного отжига для кристаллизации аморфных слоев. Слои n-типа проводимости, представляющие собой низкоомный токосъемный слой SnO:Sb, легированный 1,5% Sb, и тонкий буферный слой ZnO менее 300 нм. Фото преобразующий слой, представляющий собой p-n-переход расположенный между буферным слоем ZnO, наносимым методом спрей-пиролиза, и полупроводником р-типа проводимости CuO, наносимым методом электрохимического осаждения. Токосъемный слой с полупроводника р-типа проводимости изготовлен путем термовакуумного напыления металлических электродов, образующих омический контакт Me выполненный из таких материалов, как (Cu, Cr, Al, Ni). Толщина светопоглощающего слоя (CuO) выбрана в соответствии с величиной коэффициента поглощения видимого света. Последовательность нанесения слоев на стеклянную подложку происходит с нанесения SnO:Sb спрей-пиролизом, затем ZnO спрей-пиролизом, потом CuO методом электрохимического осаждения, затем наносится последний слой металла методом термовакуумного напыления.
2
2
2
Применяемые в фотопреобразующем слое материалы являются достаточно распространенными на Земле, а также не являются токсичными. Ширина запрещенной зоны SnO:Sb и ZnO составляет примерно 3.4 эВ, а оксида меди CuO - 2 эВ, что обеспечивает высокое пропускание видимого излучения слоем SnO:Sb и ZnO, а также хорошее поглощение его оксидом меди, вследствие чего повышается коэффициент полезного действия структуры. Данную тонкопленочную структуру можно выполнить в едином технологическом цикле, что существенно снижает время на изготовление таких солнечных элементов, а также упрощает производственный процесс.
Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется фотопреобразующей структурой. При освещении ее светом происходит генерация электронно-дырочных пар. Под воздействием внутреннего поля, образующиеся при генерации дырки, направляются к р-области, а электроны - к n-области. Таким образом, происходит разделение заряда и возникновение разности потенциалов. Для токосъема применяются электроды.
Тонкопленочные солнечные элементы являются перспективными устройствами для солнечной энергетики. В качестве подложки они позволяют использовать как стекло, так и полимеры, что предоставляет возможность изготавливать их в массовом производстве, а также получать гибкие солнечные элементы.