ГИБКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FLEXIBLE MULTILAYER PHOTOVOLTAIC MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к гибкому многослойному фотоэлектрическому модулю и способу его изготовления.
Настоящее изобретение может найти применение при создании и эксплуатации различных высоконадежных энергетических и транспортных систем, использующих энергоснабжение от гибкого многослойного фотоэлектрического модуля.
В основу настоящего изобретения положена задача создания такого способа изготовления гибкого многослойного фотоэлектрического модуля, который был бы технологичен и дешев в изготовлении, обеспечил бы бесперебойную работу даже при выходе их строя части элементов и был бы безопасен в эксплуатации.
В настоящее время наиболее распространены фотоэлектрические модули на основе кремния. Они обладают относительно высоким КПД, однако и стоимость их высока.
В качестве альтернативы кремниевым фотоэлектрическим модулям можно рассматривать так называемые «ячейки Гретцеля» - модули, сенсибилизированные красителем. Конструктивно ячейка Гретцеля состоит из пластинки электропроводящего стекла, на которую нанесен слой диоксида титана, который является полупроводником. Поверх слоя диоксида титана располагается слой специального органического красителя, а к стеклу подведены токоприемники. Особенностью красителя является то, что под воздействием солнечного света он выделяет электроны. Через слой полупроводника электроны могут двигаться только в одном направлении - к токоприемнику. Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему. Конструкция предполагает использование прозрачных проводящих электродов, в качестве которых используют стеклянные пластины, покрытые слоем оксида индия с оловом. Использование таких пластин не позволяет сделать фотоэлектрический модуль гибким, что ограничивает его применение.
Известна конструкция фотоэлектрического модуля с катодом на основе оксида индия с оловом [Seigo Ito и др. «High-efficiency (7,2%) flexible dye-sensitized solar cells with Ti-metal substrate for nanocrystalline-TiO2 photoanode» Http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2006/cc/b608279c#!divAbstract]. В качестве анода используется титановая фольга, а катод включает в себя гибкую подложку из полиэтиленнафталата, на которую нанесен слой оксида индия с оловом, покрытый слоем платины. В состав электролита входит 1-бутил-3-метилимидазолий иодид, гуанидиний тиоцианат, 4-трет-бутилпиридин в смеси с ацетонитрилом и валеронитрилом. Электролит расположен между катодом и анодом, а фотоэлектрический модуль представляет собой ячейку типа «сэндвич».
Описанный фотоэлектрический модуль имеет недостатки, обусловленные применением прозрачных электродов на основе оксида индия с оловом, к которым относятся их хрупкость и недостаточная гибкость, что приводит к растрескиванию покрытия и не позволяет организовать поточное производство фотоэлектрического модуля на гибкой основе, а также высокая стоимость индия и платины, что значительно увеличивает его стоимость.
Наиболее близким аналогом предлагаемого фотоэлектрического модуля является сенсибилизированный красителем гибкий фотоэлектрический модуль, содержащий катод, анод и электролит, расположенный между катодом и анодом [Заявка США №20100051101, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18]. Катод выполнен в виде гибкой полимерной подложки с нанесенным на нее слоем из углеродных нанотрубок (УНТ) и фоточувствительным слоем из полупроводника - наночастиц диоксида титана, сенсибилизированных поглощающим свет красителем. Анод выполнен в виде гибкой полимерной подложки, на которую нанесен проводящий слой из напыленных металлов, таких как платина, палладий, серебро или золото. В качестве электролита используется окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид.
Электролит заполняет промежуток между катодом и анодом и обеспечивает протекание электрического тока между ними. Слой из углеродных нанотрубок выполнен достаточно тонким и прозрачным, так что солнечный свет проходит через него и попадает на слой полупроводника, сенсибилизированного красителем. Молекулы красителя, поглощая солнечный свет, переходят в возбужденное состояние и отдают электрон полупроводнику - диоксиду титана. По слою, состоящему из частиц диоксида титана, электроны достигают электрода, имеющего проводящий слой из углеродных нанотрубок, а затем через внешнюю цепь попадают на анод. На аноде происходит передача электронов молекулам йода, находящимся в электролите, с образованием ионов йода. Ионы йода в свою очередь передают недостающие электроны молекулам красителя.
Другим близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент РФ №2552597 (Гибкий солнечный элемент). Данное изобретение относится к солнечным элементам и может использоваться в качестве преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию в энергетике и в портативной электронике. Солнечный элемент включает катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, при этом внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок, внешний слой анода выполнен из проводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем. Изобретение обеспечивает упрощение технологии изготовления солнечных элементов и снижает их стоимость, также увеличивает их гибкость.
Основными недостатками указанных патентов являются: наличие электролита внутри фотоэлектрического модуля, что существенно уменьшает надежность изготовления и работы фотоэлемента, а также усложняет его изготовление, уменьшает гибкость и увеличивает вес.
Задачи изобретения решены и недостатки прототипа устранены в реализованном согласно настоящему изобретению гибком многослойном фотоэлектрическом модуле, состоящем из последовательно механически соединенных нижней несущей полимерной пленки, слоя электроизолирующего полимера с встроенными проводниками контактной сетки, обращенными к фотоэлектрическим преобразователям, гальванического соединения из последовательно-параллельно соединенных для набора нужных потребителю напряжения и тока фотоэлектрических преобразователей, слоя электроизолирующего полимера с встроенными проводниками контактной сетки и обращенными к фотоэлектрическим преобразователям, верхнего защитного полимерного слоя, прозрачного для прямого солнечного, отраженного и рассеянного света, отличающийся тем, что последовательно-параллельное соединение фотоэлектрических преобразователей осуществляется по встроенным проводникам контактной сетки в процессе ламинирования модуля, при этом на тыльную (противоположную слою электроизолирующего полимера с встроенными проводниками контактной сетки) сторону нижней несущей полимерной пленки нанесен адгезивный слой с защитной пленкой, предотвращающей приклеивание модуля к различным поверхностям до его установки.
Технически целесообразно в гибком многослойном фотоэлектрическом модуле контактную сетку наносить по технологии басбар или смартвайер.
За счет реализации заявленного способа достигаются следующие технические результаты:
- существенно увеличена простота и надежность изготовления и работы гибкого многослойного фотоэлектрического модуля,
- упрощен процесс его изготовление,
- увеличена гибкость и уменьшен вес.
Настоящее изобретение будет раскрыто в примере реализации летательного аппарата тяжелее воздуха, предназначенного для движения в тропосфере и/или стратосфере при помощи электрических двигателей, приводимых в действие при помощи гибкого многослойного фотоэлектрического модуля, использующих эффект альбедо, заключающийся в улавливании рассеянного и отраженного светового излучения как от подстилающей поверхности, так и от находящегося выше или ниже летательного аппарата облачного покрова. При этом для выработки электрической энергии, приводящей в действие электрические моторы летательного аппарата используют гибкие многослойные фотоэлектрические модули, преобразующие рассеянное и отраженное от подстилающей поверхности, включая облака, находящиеся выше или ниже летательного аппарата, излучения как видимого, так и ультрафиолетового спектра, при этом гибкие многослойные фотоэлектрические модули размещают как на нижней, обращенной во время полета к земле части крыльев и корпуса летательного аппарата, так и на верхней их поверхности, а также на боковых поверхностях его корпуса или фюзеляжа.
При этом за счет гибкости многослойных фотоэлектрических модулей упрощается монтаж их на летательный аппарат, увеличивается его энерговооруженность при невысоком весе за счет легкости гибких многослойных фотоэлектрических модулей, а значит, и дальность полета и грузоподъемность.
По сравнению со всеми фотоэлементами, известными авторам, в данном гибком многослойном фотоэлектрическом модуле существенно увеличена простота и надежность его изготовления и работы, упрощен процесс его изготовление, увеличена гибкость и уменьшен вес.