УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к области фотовольтаики, в частности к задачам по разработке и производству высокоэффективных солнечных батарей. Устройство предлагаемой конструкции позволяет повысить эффективность сбора и конверсии солнечной энергии в широком диапазоне длин волн. Кроме того, предлагаемое устройство обладает повышенной устойчивостью к факторам внешней среды, таким как повышенная влажность воздуха, что повышает надежность и долговечность солнечных батарей на его основе.
Известно устройство солнечной батареи на основе квантовых точек (КТ), описанное в патенте [1]. Известное устройство состоит из электрон-транспортного слоя (ЭТС), фотоактивного слоя, включающего ансамбли КТ разного размера, поверхность которых покрыта бифункциональными лигандами, служащими для облегчения транспорта электронов от КТ, и полимерного слоя, обеспечивающего транспорт дырок (дырочного транспортного слоя, ДТС). В известной конструкции, слой КТ служит для поглощения квантов солнечного излучения с образованием электрон-дырочных пар, а ЭТС и ДТС служат для транспорта носителей заряда, образовавшихся при возбуждении КТ, и их транспорта к электродам. К недостаткам известного решения стоит отнести то, что в качестве материала ЭТС и ДТС применяются органические аминокислоты, что снижает стабильность солнечных батарей, и невысокую эффективность транспорта носителей заряда из КТ. Кроме того, стоит отметить, что применение в качестве фотоактивного материала исключительно КТ не может обеспечить высокой эффективности сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн.
Схожее техническое решение раскрыто в заявке [2], где фотоактивный слой квантовых точек помещен между двумя брегговскими зеркалами, образованными одномерными фотонными кристаллами. К недостаткам известного решения относится то, что увеличение эффективности поглощения солнечного света в нем связано только с тем, что предложенная структура позволяет локализовать свет в фотоактивной области, однако не обеспечивает усиления поглощения солнечного излучения. Кроме того, такое устройство оказывается подвержено воздействиям внешней среды из-за применения органических соединений.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда, описанное в патенте [3], выбранное в качестве прототипа. Известное устройство состоит из прозрачной пластины, включающей двухмерный фотонный кристалл, на поверхности которого расположен тонкий слой прозрачного материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве электрода, а в пространстве между стержнями расположен гибридный материал, состоящий из листов производных графена и квантовых точек, помещенный в электролит. К недостаткам известного решения стоит отнести то, что применение данной структуры фотонного кристалла усиливает поглощение солнечного излучения только в заданной области спектра (в частности, в ближней ИК-области), но при этом увеличивает отражение излучения с другими длинами волн, тем самым снижая общую эффективность поглощения солнечного излучения в широком диапазоне длин волн. Кроме того, применение описанного в прототипе гибридного материала из графена и КТ, в котором последние иммобилизованы на поверхности графена с помощью органических молекул, не обеспечивает достаточно плотного контакта межу графеном и КТ, что препятствует эффективному переносу носителей заряда, а сами органические молекулы могут быть подвержены деградации в условиях повышенной температуры. Также стоит отметить, что использование электролита не может обеспечить селективный транспорт носителей заряда к соответствующим электродам, что в результате повышает вероятность рекомбинации электрон-дырочной пары и снижает эффективность солнечной батареи в целом.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание полностью неорганического устройства для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для использования в составе солнечных батарей, обладающего повышенной стабильностью в условиях высокой влажности окружающего воздуха, а также обеспечивающего высокую эффективность поглощения солнечного излучения в широком диапазоне длин волн, за счет улучшения поглощения гибридного фотоактивного слоя, усиления эффективности разделения носителей заряда и оптимизации структуры электродов.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора солнечного излучения в широком диапазон длин волн для солнечных батарей, содержащее пластину, включающую двухмерный фотонный кристалл, представляющий собой периодическую структуру, состоящую из массива параллельных наностержней, расположенных в узлах двухмерной решетки, в пространстве между которыми расположен гибридный материал, состоящий из листов производных графена и квантовых точек выполнено так, что поверхность пластины, включающей двухмерный фотонный кристалл, со стороны фотонного кристалла покрыта слоем материала с электропроводящими свойствами, который используется в качестве анода, а на поверхность этого слоя нанесен слой материала, обладающего свойствами селективного транспорта дырок, при этом гибридный материал из листов производных графена и квантовых точек, представляет собой сшитые плотноупакованные пленки квантовых точек на поверхности листов производных графена, а в качестве катода применена пленка металла, которая содержит отверстия, расположенные в узлах двухмерной решетки, а свободное пространство между наностержнями, гибридным материалом и дырочным транспортным слоем заполнено электролитом.
2
Использование в солнечных батареях подложки, включающей фотонный кристалл, позволяет усилить поглощение излучения в заданном диапазоне длин волн, однако поглощение вне этого диапазона значительно снижается. Для устранения этого недостатка нами предложен катод специальной структуры, представляющий собой тонкий лист металла, в котором изготовлены отверстия, расположенные в узлах двухмерной решетки, т.е. в структуре катода также создан двухмерный фотонный кристалл. Таким образом, варьируя параметры решетки и размер отверстий можно добиться резонансной волновой моды, которая будет локализовать электромагнитное излучение внутри фотоактивного слоя, тем самым увеличивая эффективность поглощения солнечного изучения в широком диапазоне длин волн. Для повышения эффективности солнечных батарей важна не только эффективность поглощения солнечного излучения, но и высокая эффективность генерации и разделения носителей зарядов, образующихся под действием солнечного излучения. В солнечных батареях на основе квантовых точек генерация электрон-дырочных пар происходит в квантовых точках, в результате их возбуждения солнечным излучением, однако, так как этот процесс конкурирует с люминесценцией КТ, необходимо улучшить эффективность переноса носителей зарядов из КТ, что в результате снизит их флуоресценцию и приведет к повышению эффективности солнечной батареи. Известным подходом для решения этой задачи является применение графена, который благодаря высокой подвижности зарядов, позволяет значительно улучшить транспорт электронов в фотоактивном слое (т.е. выполняет функцию электрон-транспортного слоя) и снизить рекомбинацию электрон-дырочных пар. Для улучшения стабильности и оптических свойств КТ, а также иммобилизации их на поверхности графена применяют пассивацию их поверхности различными лигандами, однако, традиционно применяемые для этих целей органические лиганды обладают рядом недостатков. Например, органические лиганды могут разрушаться в условиях работы солнечных батарей (высокая температура и влажность), снижая тем самым стабильность последних. Кроме того, в силу сравнительно большого физического размера органических лигандов, они могут препятствовать эффективному переносу носителей заряда от КТ на графен, экранируя их внутри КТ и увеличивая вероятность рекомбинации. Для решения этой задачи нами предложено использовать сравнительно короткие неорганические соединения, например PbI, для пассивации поверхности КТ, что позволяет создавать плотноупакованные сшитые структуры из квантовых точек и графена (его производных) и улучшить транспорт носителей заряда между КТ и графеном. Одним из факторов, ухудшающих долговременную стабильность солнечных батарей, является окисление фотоактивного слоя и органических полимеров в условиях высокой влажности. При этом, ранее было показано, что добавление восстановленного оксида графена препятствует окислительному разрушению квантовых точек. Кроме того, окислительному разрушению могут подвергаться не только квантовые точки, но и дырочные и электронные транспортные слои, выполненные из органических материалов. Для повышения стабильности нами, в качестве дырочного транспортного слоя, предложен оксид графена, который эффективно заменяет традиционно применяемый для этой цели органический полимерный материал PEDOT:PSS. Таким образом, примененные подходы по улучшению разделения носителей заряда и их транспорту в фотоактивном слое, а также применение катода в форме двухмерного фотонного кристалла позволяют повысить поглощение солнечного излучения и улучшить эффективность его конверсии.
Существует частный случай, в котором в качестве материала пластины для изготовления двухмерного фотонного кристалла применено стекло, полистирол, оксид кремния.
Возможен частный случай, когда в качестве материала анода применен оксид индия-олова, оксид алюминия-цинка, оксид олова, графен или его производные.
Также возможен частный случай, когда 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.
Существует частный случай, где в качестве листов производных графена используют однослойные или многослойные листы производных графена или их комбинацию.
Также существует частный случай, в котором в качестве производных графена применен оксид графена, восстановленный оксид графена, хлорированный оксид графена или их комбинация.
2
2
Кроме того, возможен частный случай, когда в состав гибридного материала входят квантовые точки состава PbS, PbSe, CuInS, CuInSe, PbS/PbSe или комбинации этих квантовых точек.
Возможен частный случай, в котором толщина катода имеет значение от 10 до 50 нм.
Также возможен частный случай, когда в качестве материала катода применено золото, платина, серебро или алюминий.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая конкретный пример устройства для сбора солнечного излучения в широком диапазон длин волн для солнечных батарей. 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; катод - 6; лист производных графена - 7; квантовая точка - 8.
2
Подтверждение работоспособности предложенного устройства раскрывается нижеследующим примером. Исследование проводилось на солнечной батарее следующей структуры: подложка фотонного кристалла и сам фотонный кристалл выполнены из оксида кремния, фотонный кристалл представляет собой массив наностержней, расположенных в углах гексагональной решетка с периодом 590 нм, диаметр наностержня - 215 нм, высота наностержня 500 нм, 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. Несмотря на то, что высота наностержней влияет на толщину фотоактивного слоя и равномерность распределения электромагнитного поля внутри фотонного кристалла, было решено сократить длину наностержней, чтобы добиться наилучшей эффективности транспорта носителей заряда. Анод, толщиной порядка 40 нм, из оксида индия-олова был нанесен на подложку, со стороны фотонного кристалла, методом магнетронного напыления в вакууме. В качестве ДТС применен тонкий слой (порядка 2 нм) из оксида графена. В качестве гибридного фотоактивного материала применялся монослойные листы восстановленного оксида графена, на поверхности которого иммобилизованы КТ состава PbS и диаметром 5±0,5 нм, при этом поверхность КТ была пассивирована PbI, что позволило добиться плотной упаковки и хорошего транспорта электронов между КТ и восстановленным оксидом графена без применения органических соединений. Гибридный фотоактивный материал указанного состава наносился в пространство между наностержнями в полисульфидном электролите. В качестве катода использовалась пленка алюминия толщиной порядка 20 нм, с отверстиями диаметром 300 нм, расположенными в узлах гексагональной решетки с периодом 170 нм. Для сравнения использовалось контрольное устройство аналогичной структуры за тем исключением, что параметры отверстий в катоде были следующими: диаметр отверстий - 220 нм, период 600 нм, т.е. усиливали поглощение только в ближней ИК-области. На фиг. 2 представлены нормированные спектры поглощения устройств, цифрами обозначены: спектр поглощения контрольного устройства - 9; спектр поглощения предлагаемого устройств - 10. Спектры были получены на спектрофотометре (Agilent Сагу 60). Из вышеизложенного видно, что предлагаемое устройство обладает лучшим поглощением в видимой области спектра.
2
Увеличение стабильности в предлагаемой полезной модели раскрывается на следующем примере. Были изготовлены два образца гибридного материала. Образец А - монослойные листы восстановленного оксида графена, на поверхности которого иммобилизованы КТ состава PbS и диаметром 5±0,5 нм, поверхность КТ пассивирована PbI; образец Б - монослойные листы восстановленного оксида графена, на поверхности которого иммобилизованы КТ состава PbS и диаметром 5±0,5 нм, поверхность КТ пассивирована 3-меркаптопропил-триметоксисиланом. Спектр поглощения гибридного материала обоих образцов снимался в 1, 5 и 15 сутки после изготовления гибридного материала. Для имитации условий повышенной температуры и влажности все образцы хранились в герметично закрытых контейнерах с водой, без непосредственного контакта воды и гибридного материала, в термостате при 37°С. На фиг. 3 представлены нормированные спектры поглощения образцов А и Б, цифрами обозначены: спектр поглощения образца А на первые сутки - 11, спектр поглощения образца А на пятые сутки - 12, спектр поглощения образца А на пятнадцатые сутки - 13; спектр поглощения образца Б на первые сутки - 14, спектр поглощения образца Б на пятые сутки - 15, спектр поглощения образца Б на пятнадцатые сутки - 16. По падению поглощения можно судить о деградации гибридного материала, созданного с использованием органического лиганда (образец Б), в то время как неорганический гибридный материал (образец А) разрушается существенно медленнее, так как его спектр поглощения остается более стабильным.
Улучшение разделения носителей заряда показано на примере сравнения гибридного материала образцов А и Б из предыдущего примера. Очевидно, что улучшение разделения носителей зарядов должно приводить к снижению флуоресценции гибридного материала. Для этого были сняты спектры флуоресценции образцов А и Б, представленные на фиг. 4, цифрами обозначены: спектр флуоресценции образца А - 17; спектр флуоресценции образца Б - 18. В результате показано, что образец А обладает менее интенсивной флуоресценцией, чем образец Б, что говорит о лучшем разделении разделения носителей зарядов в нем.
Таким образом, предложенная конструкция устройства для сбора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн для солнечных батарей позволяет, во-первых, улучшить эффективность поглощения излучения в широком диапазоне длин волн за счет усиления эффективности разделения носителей заряда и использования структуры фотонного кристалла в составе катода, а во-вторых, снизить деградацию элементов устройства, вызванную окислением в условиях высокой влажности окружающего воздуха, за счет отказа от использования органических компонентов, что является актуальным и востребованным для улучшения КПД и стабильности солнечных батарей.
Источники информации
1. Bogdan Serban et al. Quantum dot solar cell. Патент США US 8227686 B2.
2. Takashi Kita et al. Quantum dot solar cell. Заявка JP 2011029464 A.
3. Соколов П.М. и др. Устройство для сбора солнечного излучения и генерации носителей заряда для прозрачных солнечных батарей. Патент РФ RU 2018138552 U.