МЕТАНОФУЛЛЕРЕНЫ В КАЧЕСТВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
METHANE FULLERENES AS ORGANIC MATERIALS FOR SOLAR BATTERIES

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям солнечной энергии в электрическую и тепловую и может быть использовано в электрических устройствах, например солнечных батареях, которые имеют формирующие структуры на основе композиционных материалов.
Известны фотоэлектрические преобразующие материалы на основе производных фуллерена [патент US 8304643, кл. H01L 25/00, H01L 31/00, C07F 15/00, C07F 17/02, опубл. 23.04.2009], представленного формулой
1
где R - органическая группа, М - атом металла, L - лиганд.
Синтезирован обширный массив фуллереновых соединений, пригодных для использования в фотоэлектирических преобразующих устройствах. Однако известные применяемые фуллеренсодержащие соединения характеризуются высокой стоимостью из-за присутствия в молекуле металлоценового лиганда и низкими выходами целевого продукта при их синтезе.
Наиболее близким к предлагаемому решению является фотоэлектрический элемент [патент EP 2468704, кл. C07C 13/68, C07D 333/24, C07B 333/10, H01L 51/42. опубл. 24.07.2009], состоящий из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, в составе электроноакцепторного слоя служат метанофуллерены, используемые в качестве органических полупроводников в солнечных батареях, общей формулы
1
2
где X и X - моновалентная группа производных ароматических углеводородов, полициклических ароматических углеводородов, гетероароматических углеводородов, содержащих в своем скелете гетероатом. Представленные производные метанофуллеренов отличают хорошие растворимость, совместимость с полимерами, напряжение холостого хода и долговечность. Однако применение метанофуллеренов представленной общей формулы в фотоэлектрических преобразующих материалах демонстрирует недостаточно высокое напряжение холостого хода и эффективность фотоэлектрического преобразования, а выходы заявленных соединений, проявляющих максимальную эффективность, составляют 15,4 % и 34,6 %.
Использующиеся органические фотоэлектрические элементы содержат два различных слоя между проводящими электродами. Слой с более высоким сродством к электрону - акцептор электронов, а другой является донором. Эту структуру называют плоским донорно-акцепторным гетеропереходом. Когда обозначенные материалы поглощают фотон, создается возбужденное состояние, которое рассматривается как пара электрон-дырка (экситон). Экситоны распадаются на свободные электрон и дырку и аккумулируются на противоположных электродах благодаря действию эффективного поля, возникающего в области гетероперехода.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы преобразователей солнечной энергии в электрическую и напряжения холостого хода.
Поставленная в изобретении цель достигается тем, что фотоэлектрический элемент, состоящий из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, в составе электроноакцепторного слоя используются метанофуллерены, отличаетсяся тем, что в качестве метанофуллеренов используются соединения общей формулы
3
где R=-СООСН (MF1), -Cl (MF2).
Сущность изобретения состоит в следующем.
В «электроноакцепторном» органическом слое используются впервые синтезированные нами и описанные в [Torosyan S.A., Biglova Yu.N., Mikheev V.V., Khalitova Z.T., Gimalova F.A., Miftakhov M.S. / Synthesis of fullerene-containing methacrylates // Mendeleev Communications. - 2012. - V.22. - №4. P.199-200] метанофуллерены общей формулы
3
где R=-СООСН (MF1), -Cl (MF2).
3
3
В качестве «электронодонорных» органических соединений использованы допированный соляной кислотой полианилин (PANI×HCl) и полианилин на основе метансульфокислоты (PANI×CHSOH).
Фотоэлектрический элемент, в составе электроноакцепторного слоя, содержащий метанофуллерены, отличается тем, что в качестве метанофуллеренов используются соединения общей формулы.
Получены фотоэлектрические элементы, состоящие из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, на основе производных полианилина и фуллеренсодержащих соединений, исследованы их вольтамперные характеристики и рассчитаны численные значения напряжения холостого хода, ток короткого замыкания, коэффициент заполнения и эффективность фотоэлектрического преобразования.
Суть изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Предварительно готовили отдельно 1% растворы метанофуллерена MF1 в хлороформе и допированный соляной кислотой полианилин (PANI×HCl) в диметилсульфоксиде.
На стеклянную подложку с полупроводниковым материалом оксид индия-олова наносили раствор легированной сопряженной полимерной смеси поли(2,3-дигидротиено-1,4-иоксин)-поли(стиролсульфонат), затем высушили его при температуре 120°С в течение 10 минут. Далее покрыли раствором допированного соляной кислотой полианилина в диметилсульфоксиде, растворитель удаляли в вакуумном сушильном шкафу. Далее нанесли слой раствора метанофуллерена в хлороформе. Вся стеклянная подложка со слоем фотоэлектрического преобразования была высушена в атмосфере аргона. В качестве верхнего электрода-катода использовали пленки алюминия, полученные термодиффузионным напылением в вакууме. Далее измеряли вольтамперные характеристики фотоэлектрического элемента и на их основе рассчитывали численные значения таких параметров, как напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, коэффициент заполнения и эффективность фотоэлектрического преобразования (таблица).
Пример 2
Измерения фотоэлектрического элемента, состоящего из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, осуществляли по аналогии с примером 1, но в электроноакцепторном слое применяли метанофуллерен MF2.
Пример 3
3
3
Измерения фотоэлектрического элемента, состоящего из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, осуществляли также, как и пример 1, с тем отличием, что вместо полианилина использовали полианилин на основе метансульфокислоты (PANI×CHSOH).
Пример 4
3
3
Измерения фотоэлектрического элемента, состоящего из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, осуществляли также, как и пример 1, с тем отличием, что в электроноакцепторном слое использовали метанофуллерен MF2, а вместо полианилина - полианилин на основе метансульфокислоты (PANI×CHSOH).
Как видно из представленных в таблице данных, использование в электроноакцепторном слое метанофуллеренов 1 и 2 позволяет повысить эффективность работы преобразователей солнечной энергии в электрическую. Так, напряжение холостого хода увеличивается по сравнению с известным решением в среднем на 15 %.