УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ДЛЯ ПРОЗРАЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к области фотовольтаики, в частности к созданию прозрачных солнечных батарей третьего поколения. Данное устройство предназначено для эффективного сбора солнечного излучения в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра солнечного излучения. Применение предлагаемого устройства в составе прозрачных солнечных батарей третьего поколения приведет к увеличению эффективности солнечных батарей за счет улучшения процесса генерации носителей заряда в фотоактивном слое.
Известно устройство солнечной батареи, описанной в патенте [1], включающее слой квантовых точек (КТ), состоящий из ансамблей КТ разного размера (цвета флуоресценции), электрон-транспортного слоя (ЭТС), расположенного между ними слоя бифункциональных лигандов, служащих для облегчения транспорта электронов от КТ и полимерного слоя, облегчающего транспорт дырок (дырок-транспортного слоя, ДТС). В описанной конструкции, слой КТ служит для поглощения квантов солнечного излучения, а ЭТС и ДТС служат для экстракции пар носителей заряда, образовавшихся при возбуждении КТ. К недостаткам описанной солнечной батареи относится, то, что в качестве материала ЭТС и ДТС применяются органические аминокислоты, что снижает стабильность солнечных батарей, невысокая эффективность экстракции носителей заряда из КТ, а также то, что применение только КТ как материала для сбора солнечного излучения не обеспечивает высокой эффективности сбора солнечного света, особенно в инфракрасной области оптического спектра.
Известно решение по сбору носителей заряда от КТ описанное в документе [2]. В качестве ДТС применены слои оксида графена, в качестве ЭТС, при этом, используется оксид цинка или фторид лития, а фотоактивный слой состоит из органических материалов, являющихся донорами и акцепторами электронов, таких как РЗНТ, РСВМ или MEH-PPV. К недостаткам описанного изобретения относится применение полимеров, которые недостаточно эффективно собирают солнечное излучение, особенно в ИК-диапазоне, а также обладают не очень высокой стабильностью при воздействии факторов внешней среды и солнечного излучения.
В патенте [3] описана солнечная батарея, которая содержит фотонный кристалл, представляющий собой периодически повторяющуюся решетку, на поверхность которого нанесен тонкий слой КТ. Также в структуре известной солнечной батареи применены слои для снижения коэффициентов отражения падающего солнечного света. При этом, увеличение эффективности поглощения солнечного излучения в известном изобретении в большей степени связано с увеличением доступного солнечного потока, за счет снижения отражения солнечного света, путем применения антибликовых покрытий и фотонных кристаллов, структура которых пропускает свет внутрь солнечной батареи. Таким образом данное известное решение также не позволяет значительно увеличить эффективность поглощения солнечного излучения.
Схожее техническое решение описано в документе [4], где в структуре солнечной батареи слой квантовых точек находится между двумя брегговскими зеркалами, образованными одномерными фотонными кристаллами. К недостаткам известной солнечной батареи стоит отнести то, что увеличение эффективности поглощения солнечного света связано только с тем, что предложенная структура позволяет локализовать свет в фотоактивной области, однако не обеспечивает усиления поглощения солнечного излучения в ИК-области спектра.
1-x
x
Наиболее близкое к предлагаемому устройство для сбора солнечного света, структура которого описана в заявке [5], было выбрано в качестве прототипа. Известное устройство содержит как минимум двухмерный фотонный кристалл, обеспечивающий отражение, пропускание и поглощение солнечного света в заданном спектральном диапазоне, фотонный волновод, для распространения солнечного света к фотоактивному участку, и фотоактивный участок, содержащий структуры с p-n переходом, для генерации носителей заряда под действием падающего света. В одном из частных случаев, в состав фотоактивного участка включены полупроводниковые структуры состава CdTe, InGaN, и CdSe. К недостаткам описанного элемента относится низкая эффективность сбора солнечного излучения в ближней ИК-области. Кроме этого, усиление эффекта поглощения солнечного света за счет «запирания» солнечного света с помощью структуры фотонного кристалла является не весьма эффективным.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства для использования в составе прозрачных солнечных батарей, обеспечивающее увеличение эффективности сбора солнечного света в ближнем ИК-диапазоне длин волн и увеличение эффективности генерации свободных носителей зарядов за счет усиления поглощения гибридного фотоактивного слоя «графен-КТ», а также эффективного сбора носителей зарядов, образовавшихся в КТ вследствие поглощения солнечного света.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей, содержащее прозрачную пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, выполнено так, что двухмерный фотонный кристалл представляет собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, на поверхности которого расположен тонкий слой прозрачного материала с электропроводящими свойствами, при этом в пространстве между наностержнями расположен гибридный материал, состоящий из листов производных графена и квантовых точек, заключенный в электролит.
Применение фотонного кристалла позволяет повысить плотность фотонных состояний в диапазоне длин волн, совпадающем с областью поглощения солнечного света КТ. Локализация электромагнитных волн в определенных пространственных областях фотонного кристалла приводит к увеличению эффективности поглощения падающего солнечного света гибридным материалом. Предлагаемый для создания устройства фотонный кристалл представляет собой массив наностержней, ориентированных перпендикулярно подложке и расположенных в узлах периодической решетки. При этом параметры фотонного кристалла, такие как материал для его изготовления, период решетки, в узлах которой расположены наностержни, диаметр и высота этих наностержней, определяются исходя из требований, предъявляемых к распределению электромагнитного поля внутри устройства, которое зависит от размера, структуры и состава КТ, а также интересующего диапазона длин волн солнечного света. Полученное распределение электромагнитного поля в структуре устройства должно обеспечить максимальную эффективность поглощения квантовыми точками солнечного света в заданном диапазоне длин волн. Применение подобной структуры фотонного кристалла позволяет настроить спектр поглощения КТ так, чтобы они лучше поглощали излучение в ближней ИК-области солнечного спектра, что обеспечит улучшенную эффективность генерации свободных носителей заряда. Нанесение на поверхность фотонного кристалла тонкого слоя из материала с электропроводящими свойствами позволит, во-первых, использовать этот слой в качестве электрода, для снятия носителей зарядов, а во-вторых, дополнительно увеличить вероятность поглощения квантов солнечного света, за счет увеличения эффективности отражения излучения, приводящего к увеличению оптического пути квантов света в пространстве между наностержнями, т.е. в фотоактивной области гибридного материала. При этом, слой должен обладать низким поглощением квантов света, то есть быть достаточно тонким, что достигается при толщине слоя порядка 50 нм. Использование в качестве поглотителей солнечного излучения не просто КТ, а гибридных материалов на основе КТ и производных графена, объединенных бифункциональными или полифункциональными молекулами обеспечивает эффективный сбор носителей заряда от КТ, что также приводит к увеличению эффективности генерации свободных носителей заряда и сбора солнечного излучения.
Существует частный случай, когда материалом прозрачной пластины для изготовления двухмерного фотонного кристалла является стекло или оксид кремния.
Возможен частный случай, когда в качестве слоя материала с электропроводящими свойствами применяют оксид индия-олова.
Также возможен частный случай, где в качестве листов производных графена применены однослойные или многослойные листы производных графена.
В еще одном частном случае, в качестве производных графена применен оксид графена, восстановленный оксид графена, хлорированный оксид графена или их комбинация.
2
2
Существует частный случай, когда применены квантовые точки состава PbS, PbSe, CuInS, CuInSe, PbS/PbSe или комбинации этих квантовых точек.
Также возможен частный случай, когда производные графена объединены с квантовыми точками бифункциональными или полифункциональными органическими молекулами.
Возможен частный случай, когда производные графена объединены с квантовыми точками бифункциональными органическими молекулами, имеющими тиольную группу и алкоксисилановый фрагмент.
Последний частный случай характеризуется тем, что производные графен объединены с квантовыми точками полифункциональными органическими молекулами, имеющими тиольную, карбоксильную, фосфонатную или аминогруппу для присоединения к поверхности квантовых точек, алкоксисилановый фрагмент, карбоксильную, эпоксидную, карбонильную, или аминогруппу для присоединения производных графена, и ароматический или сопряженный фрагмент.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая конкретный пример устройства для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей. На фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы: прозрачная пластина - 1; наностержень - 2; слой прозрачного материала - 3; электролит - 4; лист производных графена - 5; квантовая точка - 6.
Подтверждение работоспособности предложенного устройства раскрывается нижеследующим примером. Были изготовлены два вида устройств, отличающиеся параметрами фотонного кристалла - образец А - с оптимальными геометрическими параметрами фотонного кристалла (ФК) для усиления поглощения КТ, и образец Б - с неоптимальными параметрами ФК. Образец А - ФК изготовленный из оксида кремния. Параметры ФК: шаг решетки - 590 нм, диаметр наностержня - 215 нм, высота наностержня - 1,3 мкм; расчет параметров ФК проводился методом конечных разностей во временной области (FDTD). Приведенная структура ФК обеспечивает усиление сбора солнечной энергии в диапазоне длин волн от 1,0-1,4 мкм, что соответствует спектру поглощения использованных КТ. Поверхность ФК покрыта оксидом индия-олова толщиной 50±10 нм, а его свободное пространство между наностержнями заполнено полисульфидным электролитом с монослойными листами восстановленного оксида графена (ВОГ), на поверхности которого иммобилизованы КТ состава PbS и диаметром 5±0,5 нм, при этом в качестве линкера для иммобилизации КТ на поверхности ВОГ применен 3-меркаптопропил-триметоксисилан. Образец Б отличается от образца А тем, что параметры ФК выбраны следующими: шаг решетки - 280 нм, диаметр наностержня - 100 нм, высота наностержня - 600 нм; расчет параметров ФК проводился методом конечных разностей во временной области (FDTD). Данная структура ФК обеспечивает усиление сбора солнечной энергии в диапазоне длин волн от 530-600 нм, который не перекрывается со спектром поглощения использованных КТ. Зависимость поглощения обоих образцов устройства от длины волны, полученная на спектрофотометре (модель Agilent Cary 60), представлена на фиг. 2, цифрами обозначены: спектр поглощения образца А - 7; спектр поглощения образца Б - 8. Из сравнения спектров видно, что предложенная структура обеспечивает усиление поглощения в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра.
Таким образом, предложенная конструкция устройства для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей позволяет улучшить эффективность сбора солнечного излучения в ближней ИК-области и увеличить эффективность генерации свободных носителей зарядов, а их применение в составе солнечных батарей позволяет улучшить такие их параметры, как коэффициент полезного действия, ток короткого замыкания, фотостабильность и устойчивость к факторам внешней среды.
Источники информации
1. Bogdan Serban et al. Quantum dot solar cell. Патент США US 8227686 B2.
2. Manish Chhowalla et al. Device comprising graphene oxide film. Заявка WO 2011141717 Al.
3. Heo Yun-sung et al. Solar cell and manufacturing method of the same. Патент Республики Корея KR 101079213 Bl.
4. Takashi Kita et al. Quantum dot solar cell. Заявка JP 2011029464 A.
5. Jeffrey C. Grossman et al. Photonic crystal solar cell. Заявка WO 2010039631 Al.