УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области фотовольтаики и управления свойствами материалов. Устройство позволяет повысить эффективность солнечных батарей и снизить их нагрев, что актуально для создания высокоэффективных солнечных батарей, используемых в регионах с жаркими климатическими условиями.
Известна конструкция устройства для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда, которая описана в патенте [1]. Конструкция известного устройства представляет собой прозрачную пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, состоящий из массива параллельных наностержней, поверхность которых покрыта тонким слоем токопроводящего материала, а пространство между стержнями заполнено гибридным материалом, состоящим из производных графена и квантовых точек, заключенных в электролит. К недостаткам известного изобретения стоит отнести то, что объединение производных графена и квантовых точек в электролите не может обеспечить достаточно качественного транспорта носителей заряда и тем самым оставляет возможность их рекомбинации, что снижает эффективность солнечных батарей на их основе и приводит к нагреву солнечных батарей, так как энергия рассеивается в тепло.
Ближайший аналог предлагаемой полезной модели, выбранный в качестве прототипа, раскрывается в патенте [2]. Известное устройство содержит пластину, включающую двухмерных фотонный кристалл, состоящий из массива наностержней, на поверхность которого нанесен слой материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода. Поверх анода нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дыр. В качестве катода применена пленка металла с периодически расположенными отверстиями, образующими фотонный кристалл. Пространство между катодом и анодом заполнено гибридным материалом, состоящим из сшитых плотноупакованных квантовых точек на поверхности листов производных графена, и электролитом. К недостаткам известного устройства стоит отнести то, что излучение, энергия которого недостаточна для генерации пар носителей заряда, остается внутри фотоактивной области и переводится в тепло, которое разогревает солнечную батарею, снижая ее эффективность и уменьшая срок службы. Также стоит отметить, что конструкция известного устройства позволяет модифицировать поглощение лишь путем запирания солнечного излучения внутри устройства, с помощью фотонных кристаллов, однако не предусмотрена возможность дополнительной модификации спектров поглощения фотоактивного материала.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании устройства для сбора солнечного излучения, обеспечивающего снижение энергетических потерь при генерации и транспорте носителей зарядов под действием солнечного света, тем самым повышая их эффективность и снижая нагрев, за счет применения гибридного фотоактивного слоя «графен-КТ» и модификации оптических свойств и энергетических уровней КТ, достигаемой благодаря структуре устройства, подобной резонатору.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора солнечного излучения, содержащее пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, представляющий собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, поверхность которой со стороны фотонного кристалла покрыта слоем материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода, поверх которого нанесен слой материала, обладающего свойством селективного транспорта дырок, в пространстве между наностержнями расположен гибридный материал, представляющий собой сшитые плотноупакованные пленки квантовых точек на поверхности листов производных графена, а свободное пространство между наностержнями, гибридным материалом и дырочным транспортным слоем заполнено электролитом, выполнено так, что в качестве катода применена оптически прозрачная пластина, на поверхности которой со стороны, обращенной в сторону фотонного кристалла, расположена пленка токопроводящего материала, способного отражать электромагнитное излучение, а высота наностержней и соответственно расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и катодом, совпадала с электронными переходами квантовых точек.
На эффективность солнечных батарей значительно влияют потери энергии фотонов, происходящие при преобразовании их энергии в энергию свободных электронов и электрический ток. Эти энергетические потери не могут быть ниже энергии возбужденного состояния донора за вычетом суммы энергии основного состояния донора и произведения заряда электрона на напряжение холостого хода солнечной батареи. Для минимизации энергетических потерь предложено снизить минимальную энергию возбужденного состояния донора, которая достаточна для образования свободного электрона. Это достигается тем, что конструкция устройства для сбора солнечного излучения выполнена наподобие резонаторной ячейки, образованной прозрачным катодом, состоящим из прозрачной пластины и тонкого слоя токопроводящего материала, и пластиной, содержащей фотонный кристалл, с нанесенным на ее поверхность анодом. При этом расстояние между отражающим фотонным кристаллом и катодом выбрано таким образом, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки совпадала с электронным переходом квантовых точек (КТ). Это вызывает расщепление возбужденного состояния КТ на две поляритонные ветви с большей и меньшей энергией, чем у исходного возбужденного состояния КТ. Настраивая расщепление энергетических уровней в КТ, а также учитывая разность энергий края зоны проводимости КТ и нижнего энергетического уровня производных графена, можно добиться того, что практически вся энергия будет идти на генерацию пар носителей заряда без рассеивания избытков энергии в тепло, тем самым снижая энергию, необходимую на разделение носителей заряда, и позволяет повысить напряжение холостого хода и эффективность солнечных батарей в целом.
Возможен первый частный случай, когда в качестве материала пластины для изготовления двухмерного фотонного кристалла применено стекло, полистирол, поликарбонат, полиэталентерефталат, полиимид, оксид кремния.
Возможен второй частный случай, когда в качестве материала анода применен оксид индия-олова, оксид алюминия-цинка, оксид олова, графен или его производные.
Возможен третий частный случай, в котором в качестве материала, обладающего свойствами селективного транспорта дырок, применен сульфид молибдена, оксид никеля, оксид ванадия, оксид графена или оксид графена, модифицированный фтором, хлором или наночастицами серебра.
Возможен четвертый частный случай, когда в качестве листов производных графена используют однослойные или многослойные листы производных графена или их комбинацию.
Возможен пятый частный случай, в котором в качестве производных графена применен оксид графена, восстановленный оксид графена, хлорированный оксид графена или их комбинация.
2
2
Возможен шестой частный случай, когда в состав гибридного материала входят квантовые точки состава PbS, PbSe, CuInS, CuInSe, PbS/PbSe или комбинации этих квантовых точек.
Возможен седьмой частный случай, в котором в качестве материала прозрачной пластины катода применена пластина из стекла, полистирола или оксида кремния толщиной от 30 до 500 мкм.
Возможен восьмой частный случай, когда пленка токопроводящего материала катода имеет толщину от 2 до 100 нм.
Возможен девятый частный случай, в котором расстояние от поверхности фотонного кристалла до катода составляет от 25 нм до 2 мкм.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема, представляющая конкретный пример, предлагаемого устройства для сбора солнечного излучения. На фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы: пластина, содержащая фотонный кристалл - 1; анод - 2; дырочный транспортный слой - 3; наностержни, образующие фотонный кристалл - 4; электролит - 5; пленка токопроводящего материала - 6; прозрачная пластина катода - 7; лист производных графена - 8; квантовая точка - 9.
2
2
Принцип работы предлагаемого устройства раскрывается на нижеследующем примере. Было изготовлено три устройства для сбора солнечного излучения. Структура устройства А соответствует прототипу, однако катод выполнен из серебра (толщина 30 нм, диаметр отверстий 300 нм, период 170 нм); устройство Б по своей структуре соответствует предлагаемому устройству, а расстояние между фотонным кристаллом и пленкой электропроводящего материала катода соответствует расстоянию между фотонным кристаллом и катодом в устройстве А (условие резонанса не выполняется); устройство В по своей структуре соответствует предлагаемому устройству, в котором расстояние между фотонным кристаллом и пленкой токопроводящего материала катода выбрано таким, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной ячейки, образованной фотонным кристаллом и пленкой токопроводящего материала катода, соответствовала электронному переходу КТ. В качестве катода в устройствах Б и В применена прозрачная пластина из оксида кремния толщиной 125 мкм с нанесенным на ее поверхность слоем серебра толщиной 20 нм. Остальная конструкция устройств одинакова: материал подложки и фотонного кристалла - оксида кремния, фотонный кристалл - массив параллельных наностержней, расположенных перпендикулярно плоскости подложки в углах гексагональной решетки (периодом - 590 нм, диаметр наностержня - 215 нм, высота наностержня для устройств А и Б - 500 нм и 125 нм для устройства В). Анод, выполненный из оксида индия-олова, был получен методом магнетронного напыления в вакууме, до толщины результирующего слоя порядка 40 нм на подложку со стороны фотонного кристалла. Дырочный транспортный слой выполнен из оксида графена, нанесенного до толщины слоя около 2 нм. Гибридный фотоактивный материал представляет собой монослойные листы восстановленного оксида графена, с иммобилизованными на его поверхности квантовыми точками состава PbS диаметром 5±0,5 нм. Поверхность квантовых точек пассивирована PbI для плотной упаковки и хорошего транспорта электронов от квантовых точек на листы восстановленного оксида графена. В качестве электролита для нанесения листов производных графена и квантовых точек использовался полисульфидный электролит. Измерение напряжения проводилось с помощью стандартного источника-измерителя Keithley 2400 (США), в качестве источника счета использовался симулятор солнечного света Zolix SSI50 (Китай). Для измерения температуры использовалась высокоточная термопара Omega DP9602 (США). Измерения напряжения холостого хода проводились при интенсивности освещенности соответствующей, равной 100 мВт/см, при температуре окружающей среды 22°С. Среднее значение напряжения холостого хода на устройстве А составило 0,824±0,013 В, на устройстве Б - 0,789±0,011 В, на устройстве В - 0,447±0,015 В. Стоит отметить, что толщина фотоактивного слоя устройств В в 4 раза ниже, чем у устройств А и В, и при схожей эффективности напряжение холостого хода должно было бы упасть пропорционально в 4 раза, однако полученное напряжение холостого хода всего в 1,84 раза меньше, чем у устройства А, и в 1,76 меньше, чем у образца Б. Измерение температуры проводилось спустя 20 минут после начала освещения устройств с помощью светодиода (длина волны излучения 1200 нм), дополнительное термостатирование не проводилось, но все устройства находились в одинаковых условиях. В результате температура устройства А поднялась на 1,4°С (1), устройства Б на 1,1°С (0,99), а устройства В всего на 0,2°С (0,38) (в скобках указано поглощение устройств на длине волны 1200 нм, нормированное по интенсивности поглощения устройства А). Приведенные результаты свидетельствуют о том, что устройство предложенной структуры выделяет меньше тепла как на единицу объема, с учетом поглощающей способности, а также обеспечивают большее напряжение холостого хода, при одинаковой интенсивности солнечного излучения, что свидетельствует о повышении эффективности.
Таким образом, конструкция предложенного устройства для сбора солнечного излучения позволяет повысить напряжение холостого хода солнечных батарей на их основе и снизить тепловые энергетические потери за счет повышения эффективности генерации носителей зарядов путем создания устройства с резонатор подобной структурой электродов и модификации энергетических уровней компонентов фотоактивного слоя.
Источники информации
1. Соколов П.М. и др. Устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей. Патент РФ RU 188920 U1.
2. Соколов П.М. и др. Устройство для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для солнечных батарей. Патент РФ RU 194493 U1.