СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ PV-СЛОЕВ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ PV-СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННАЯ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD OF OBTAINING A SEQUENCE OF PV LAYERS AND A SEQUENCE OF PV LAYERS OBTAINED USING SAID METHOD

Область техники
Настоящее изобретение можно в общем отнести к области электротехнических тонких пленок. Область техники практически обозначена в документе DE 10 2015 102 801, в создании которого авторы настоящего изобретения принимали участие. Известные средства, признаки и 10 способы могут быть взяты из этой заявки и предшествующего уровня техники, цитируемого в ней. Пленки интересующего типа, которые характеризуются толщиной в микрометровом диапазоне и могут находиться на гибких подвижных, складных и сгибаемых носителях, в 15 общем известны. Таким образом, в AT 36002 E, номер публикации 0 119 051 B2, выданный BASF Corp., раскрыты соответствующие акрилатные покрытия, которые можно использовать в качестве покрывающего слоя для гибких подложек. Обычные составляющие, свойства и средства для 20 получения таких пленок могут быть взяты из этого документа.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам 25 получения электротехнических тонких пленок, в частности последовательностей электротехнических PV-слоев.
Последовательности PV-слоев длительное время были объектом научно-исследовательской деятельности. Моно- и 30 поликристаллические Si элементы, соответствующим образом свернутые и приваренные и приведенные в контакт, а также расположенные снаружи в полях солнечных батарей для крупномасштабной выработки электроэнергии, являются известными примерами 35 осуществления с получением продукта в соответствующей области техники. Проблема состоит в том, что эти классические элементы являются жесткими и довольно негибкими. Панели, которые простираются по всей площади, всегда должны быть ориентированы в горизонтальной плоскости по отношению к положению солнца для обеспечения оптимальных выходов. Здесь используются гибкие тонкопленочные системы, которые обеспечивают для поддержания электротехнических тонких пленок, от проводящего и переключающего слоев, через PV-слои до покрывающего и защитного слоев. Заявитель специализируется в этой конкретной области и с помощью настоящей заявки заявляет способ получения таких пленок и слоистых композиционных материалов и последовательности слоев, полученных согласно данному способу.
Защитные и проводящие слои пленок и последовательностей PV-слоев интересующего типа являются по своей природе проводящими и/или гибкими. Соответствующие проводящие и защитные слои раскрыты, например, в DE 198 15 291 В4 и предшествующем уровне техники, цитируемом в нем.
Известные проводящие PV-слои и способы получения таких композиционных материалов на основе PV-слоев раскрыты в DE 199 4 6 712 А1. Недостатком является то, что растворители и присутствующие спекаемые вещества требуют значений температуры 150 градусов Цельсия или выше для полного удаления при окончательном термическом уплотнении; при этом в примере практического осуществления с получением продукта окончательное термическое уплотнение здесь проводят при 450 градусах Цельсия.
В свете этих проблем в ЕР 2 119 747 В1 предложены проводящие композиции на основе серебра, которые при приблизительно 100 градусах Цельсия могут спекаться посредством гиперреактивных наночастиц металла с получением сплошных токопроводящих дорожек. Однако даже эта мера не позволяет получить электротехнические тонкие пленки, в частности последовательности PV-слоев, на подложках без стадии спекания: нагревание напечатанных тонких слоев до температуры спекания около 100°С, в иллюстративном варианте осуществления 130°С, всегда необходимо.
Таким образом, задача, решаемая в настоящем изобретении, состояла в преодолении недостатков предшествующего уровня техники и обеспечении способа и электротехнической тонкой пленки согласно способу, который несмотря на промышленный рабочий режим и масштабное производство без нагревания до температуры спекания, может обеспечивать тонкие пленки, которые являются твердыми, стабильными и фактически на 100% обратимыми в отношении их электротехнических свойств.
Решение этой задачи обеспечивается согласно признакам независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и следующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению способ получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре, где обеспечивают электропроводные и/или полупроводниковые неорганические агломераты в дисперсии на поверхности и отверждают с получением слоя, при условии, что отверждение проводят при комнатной температуре и отверждение ускоряют посредством воздействия по меньшей мере одного реагента.
Последовательность электротехнических тонких слоев, полученная согласно способу и полученная в виде последовательности PV-слоев, характеризуется тем, что последовательность тонких слоев содержит стеклянный носитель, содержит электродный слой, нанесенный поверх стеклянного носителя, содержит первый слой, нанесенный поверх электродного слоя, который содержит частицы алюминия в пластиковой матрице, содержит второй слой, нанесенный поверх первого слоя, который содержит в качестве по меньшей мере частично основного стеклоподобного слоя по меньшей мере кремний-кислородные мостики в стеклоподобной решетке, и также содержит, по меньшей мере, частично растворимые в основании частицы алюминия в качестве неорганических агломератов, содержит прозрачный покрывающий электрод, нанесенный поверх второго слоя и имеющий контактные электроды, причем полученная таким образом последовательность PV-слоев, в свою очередь, проявляет фотоэлектрический эффект в длинноволновом и сверх длинноволновом инфракрасном диапазоне.
ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ
Согласно настоящему изобретению способ получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре, при котором обеспечивают электропроводные и/или полупроводниковые неорганические агломераты в дисперсии на поверхности и отверждают с получением слоя, характеризуется тем, что отверждение проводят при комнатной температуре и отверждение ускоряют посредством воздействия по меньшей мере одного реагента.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что образуется последовательность PV-слоев.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в качестве по меньшей мере одного базового слоя наносят слой, который содержит по меньшей мере один металл или соединение металла, причем по меньшей мере один металл или его соединение выбраны из группы, состоящей из стали, цинка, олова, серебра, меди, алюминия, никеля, свинца, железа.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в качестве проводящего базового слоя наносят и по меньшей мере частично отверждают по меньшей мере один металлический проводящий слой и/или полупроводниковый слой.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в качестве носителя применяют плоское протяженное полотно, причем полотно состоит по меньшей мере из одного материала, выбранного из группы материалов, состоящей из стекла, пластика, поликарбоната, пластиковой пленки, металлического сплава, сплава для блока цилиндров, сплава для трубок теплообменника, сплава для теплообменника, сплава для спаивания теплообменника, керамики, промышленной керамики, природного камня, мрамора, глиняной керамики, керамики для черепицы, древесного материала для ламината, материала для половиц, алюминия, алюминиевого сплава для лестниц, композиционных материалов для печатных плат, материала корпуса интегральных схем, соединений для корпуса процессора.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что неорганические агломераты первого слоя представляют собой металлы или соединения металлов, распределенные в пластиковой матрице, при этом вид металлов или вид металлов в соединениях металлов выбран из группы, состоящей из бериллия, бора, алюминия, галлия, индия, кремния, германия, олова, свинца, мышьяка, сурьмы, селена, теллура, меди, серебра, золота, цинка, железа, хрома, марганца, титана, циркония.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что неорганические агломераты второго слоя представляют собой металлы или соединения металлов, которые располагают путем распределения по меньшей мере частично в неорганической матрице, при этом вид металлов или вид металлов в соединениях металлов выбран из группы, состоящей из бериллия, бора, алюминия, галлия, индия, кремния, германия, олова, свинца, мышьяка, сурьмы, селена, теллура, меди, серебра, золота, цинка, железа, хрома, марганца, титана, циркония.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в слое в качестве неорганической матрицы применяют матрицу, которая содержит в качестве стеклоподобной оксидной матрицы по меньшей мере один образующий цепи или модифицирующий элемент, причем элемент выбран из группы, состоящей из бора, фосфора, кремния, мышьяка, серы, селена, теллура, углерода в аморфной форме, углерода в графитовой модификации, углерода в форме углеродных нанотрубок, углерода в форме многослойных углеродных нанотрубок, углерода в форме бакминстерфуллеренов, кальция, натрия, алюминия, свинца, магния, бария, калия, марганца, цинка, олова, сурьмы, церия, циркония, титана, стронция, лантана, тория, иттрия, фтора, хлора, брома, йода.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что
- электропроводный электродный слой наносят поверх носителя,
- металлы или соединения металлов, распределенные в пластиковой матрице, наносят поверх электродного слоя в качестве неорганических агломератов в первом слое,
- второй слой неорганических металлических агломератов по меньшей мере в частично сильноосновной или сильнокислотной оксидной матрице наносят поверх первого слоя, причем
- при нанесении и отверждении металлические агломераты вступают в реакцию с сильнокислотной или основной матрицей, причем матрица, в свою очередь, также вступает в реакцию с металлическими агломератами первого слоя,
- при отверждении и осуществлении реакции происходит образование фотоэлектрически активного перехода,
- второй слой обеспечивают с прозрачным покрывающим электродом и/или контактным электродом, и
- фотоэлектрически активную последовательность слоев соответствующим образом приводят в контакт и сворачивают и приваривают в виде последовательности PV-слоев.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фигуры пояснены со ссылкой на основные изображения…
Фиг. 1 представляет собой вид SEM сверху двойного PV-слоя, содержащего на верхней стороне пластиковую матрицу, содержащую силоксановую фракцию и Al стружку, поддерживаемую и частично растворенную в ней, нанесенную и отвержденную поверх чистой предварительно отвержденной пластиковой матрицы, содержащей такую же Al стружку.
Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид в разрезе изображения SEM согласно фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой изображение SEM нижней стороны двойного PV-слоя согласно фиг. 1 и фиг. 2.
Фиг. 4а представляет собой измерение фотоэлектрического потенциала от двойного PV-слоя, который будет образован только горячей водой, циркулирующей вокруг двойного PV-слоя, в зависимости от температуры воды/элемента, падающей от 46°С до 31°С, с иллюстрацией начального значения, изменения и соответствующего конечного значения.
Фиг. 4b представляет собой максимум поглощения света H2O в воздухе в зависимости от длины волны в соответствии с предшествующим уровнем техники, представленный для пояснения характеристик, показанных на фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ССЫЛКИ НА ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В предпочтительном варианте осуществления последовательность электротехнических тонких слоев, полученная в виде последовательности PV-слоев при помощи способа согласно настоящему изобретению, характеризуется тем, что последовательность тонких слоев
- содержит стеклянный носитель,
- содержит электродный слой, нанесенный поверх стеклянного носителя, содержащий серебро,
- содержит первый слой, нанесенный поверх электродного слоя, который содержит частицы алюминия в пластиковой матрице,
- содержит второй слой, нанесенный поверх первого слоя, который содержит, в качестве по меньшей мере частично основного стеклоподобного слоя, по меньшей мере кремний-кислородные мостики в стеклоподобной решетке и дополнительно содержит по меньшей мере частично растворимые в основании частицы алюминия в качестве неорганических агломератов,
- содержит прозрачный покрывающий электрод, нанесенный поверх второго слоя и имеющий контактные электроды, причем
- полученная таким образом последовательность PV-слоев, в свою очередь, проявляет фотоэлектрический эффект в длинноволновом и сверхдлинноволновом инфракрасном диапазоне.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления акрилатную краску для наружной области смешивают с алюминиевой стружкой (добавка пигмента лакокрасочной промышленности для красок с серебряным цветом), гомогенизируют и первый слой осаждают на стеклянный носитель, имеющий площадь около 10 см × 10 см, который предварительно подготовительно покрывают полупрозрачным, электропроводным слоем металла. Акрилатный слой, содержащий алюминиевую стружку, предварительно отверждают на воздухе при комнатной температуре в течение 5 минут. Затем вторую смесь такой же акрилатной краски получают с алюминиевой стружкой, смешивают с золем диоксида кремния, и в охлаждаемой мешалке регулируют до основного значения рН при помощи водного раствора гидроксида натрия, и гомогенизируют. Все еще реагирующую смесь наносят в качестве второго слоя поверх первого заранее отвержденного слоя и распределяют равномерно и сплошным слоем. Параллельная реакция, в которой алюминий по меньшей мере частично растворяется, ускоряет окончательное отверждение обоих слоев. Таким образом полученный слоистый композиционный материал снабжен на его верхней стороне штифтом электрода, изготовленным из проводящего при комнатной температуре серебра от фирмы Busch. Как показано на фиг. 1 на изображении сканирующего электронного микроскопа (SEM) полученный таким образом слой на своей верхней стороне имеет пластиковую матрицу, в которой растворимое в основании жидкое стекло обеспечивает силоксановую фракцию. Al стружка, находящаяся в матрице, растворяется и надежно объединяется с пластиковой матрицей. Как показано на фиг. 2 Al стружка проходит через пластиковый слой на поверхность и обеспечивает непосредственный электрический контакт каркаса, полученного из Al стружек, проводящим образом соединенных друг с другом при помощи точек контакта и коротких электролитных мостиков. Отделение гибкого сегмента пластикового двойного слоя при помощи скальпеля показало, что двойной слой присутствует в виде гибкого твердого отделяемого композиционного материала; при этом удаленный сегмент тестировали с его нижней стороны при помощи SEM. Как показано на фиг. 3 на изображении SEM на нижней стороне тоже присутствует Al стружка и находится в зоне контакта с межфазной поверхностью полупрозрачного электрода и обеспечивает электрический контакт.
Верхняя сторона двойного слоя была снабжена штифтом электрода, изготовленным из проводящего при комнатной температуре серебра от фирмы Busch, и дополнительно была приведена в контакт с прозрачной адгезивной ITO-пленкой. Затем покрывающий электрод и электрод с нижней стороны приводили в контакт и исследовали элемент в отношении PV-активности. Двойной слой изначально исследовали в отношении PV-активности посредством LED-источника холодного света с видимым светом. Фотоэлектрические токи были слабыми или отсутствовали. При облучении галогеновой лампой после короткого периода прогрева 1-4 секунды измеряли чистую разность фотоэлектрических потенциалов свыше 100 мВ. Можно было улавливать постоянную нагрузку для работы LED велосипедной фары. Возникал вопрос, связано ли это с эффектом Пельтье. Для тестирования этого весь контактный элемент снабжали термопарами на верхней стороне и нижней стороне, оборачивали и запаивали в водонепроницаемый вакуумный мешок со вставленными контактными линиями и полностью погружали в 10 литров горячей воды. После времени нагревания приблизительно 5 минут температура всех термопар была одинаковой. Разность фотоэлектрических потенциалов между покрывающим электродом и электродом нижней стороны была значительной и прямо пропорциональной температуре элемента, теперь медленно падающей в зависимости от температуры воды. Исходное значение, конечное значение и изменение измеренных значений, происходящее между ними, записывали в цифровом виде и представляли на графике фиг. 4. Как показано на фиг. 4а, измерение получаемого фотоэлектрического потенциала от двойного PV-слоя показало прямо пропорциональную зависимость от температуры воды, падающей от 46°С до 31°С: чем ниже температура, тем ниже получаемый потенциал. Однако окружающая вода обеспечивает, что никакого температурного градиента не измеряли здесь, который в элементе Пельтье будет требоваться для измеряемого затем эффекта Зеебека. В отношении температуры элемента, полностью окруженного равномерно нагретой водой, не наблюдалось градиентов.
Оценка удаленного и раскрытого элемента в печи для пиццы показала, неожиданно, что до 50°С на расстоянии от горячей стенки печи для пиццы никакого достаточного теплового излучения элемент не достигает. Как показано на фиг. 4b известные максимумы поглощения света H2O на воздухе в зависимости от длины волны являются значительными в диапазоне длин волн 5-10 микрометров.
Авторы изобретения считают, что именно горячая вода соответственно излучает в этом диапазоне длин волн и таким образом обеспечивает фотоны соответствующей энергии с наивысшей эффективностью в выбранной экспериментальной установке. Измеренные результаты ясно показывают используемую запрещенную зону в длинноволновом-дальнем инфракрасном диапазоне свыше 5 микрометров. Однако в обратном случае это также означает, что при высоком термическом падающем излучении достаточно теплового излучения будет необходимо для проникания через тонкий слой воздуха около элемента и генерировать ток. Это было подтверждено: в печи для пиццы при 80°С с 2 см зазором между горячим камнем печи и двойным слоем двойной слой, полученный и приведенный в контакт, как описано выше, обеспечивает ясно и точно измеримый ток, который снова падает пропорционально температуре при охлаждении и пропадает при приблизительно 60°С. Получаемая таким образом последовательность из двух слоев делает возможным достижение с использованием фотоэлектрического эффекта предпочтительных длинноволновых-сверхдлинноволновых диапазонов света вплоть до дальнего инфракрасного излучения, что в предшествующем уровне техники является игнорируемым и неизученным диапазоном длин волн. Если вышеописанный элемент подключают к вольтметру и нагревают при помощи ладони, помещенной на него, то устанавливается разность потенциалов, которая пропорциональна соответствующей измеряемой температуре поверхности. Промышленное сбросное тепло и/или теплота тела, в частности, может практично и эффективно использоваться в полученных таким образом последовательностях PV-слоев.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Существует проблема в отношении способов предшествующего уровня техники, заключающаяся в том, что для них всегда требуется стадия спекания при повышенной температуре. Дополнительная проблема состоит в том, что гибкие тонкие пленки, в частности PV-слои, часто не выдерживают такие значения температуры, а также не обеспечивают возможность использования промышленного сбросного тепла и/или длинноволновых фотонов.
Решение этих проблем можно обеспечить при помощи способа, при котором при отверждении осуществление дополнительной реакции ускоряет и улучшает отверждение. Это особенно предпочтительно обеспечивает последовательность двух слоев, содержащая пластиковую матрицу, в которой повсеместно присутствуют частицы металла, и в верхнем слое присутствуют растворимые в основании силоксановые фракции и частицы металла, причем посредством взаимного окончательного отверждения при растворении в основании возможно получать последовательность PV-слоев, при помощи которых промышленное сбросное тепло/длинноволновое инфракрасное излучение становится пригодным для использования посредством фотоэлектрических средств. Эффективное использование промышленного сбросного тепла/тепла/теплоты тела обеспечивает явные экономические выгоды во многих областях.