ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к электротехнике и служит для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию и может являться основой для построения солнечных батарей.
Известен кремниевополимерный фотоэлектрический модуль (фотоэлектрический элемент) [1. RU №2292097, H01L 31/018 (2006.01), опубликован 2007.01.20]. Этот кремниевополимерный фотоэлектрический модуль (фотоэлектрический элемент) выполнен на основе монокристаллического кремния (подложка), покрытого проводящей полимерной пленкой, которая в свою очередь состоит из смеси трех проводящих полимеров: полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4. При этом проводящая полимерная пленка синтезирована методом, основанным на электрохимической окислительной поликонденсации соответствующих мономеров. В данном случае проводящая полимерная пленка получена в гальванической ванне для электрополимеризации методом потенциостатического циклирования при потенциалах 7,5-10 В и от -3 до -5,5 В.
Этот кремниевополимерный фотоэлектрический модуль (фотоэлектрический элемент) имеет высокое значение КПД преобразования благодаря тому, что один из его слоев (подложка) выполнен на основе монокристаллического кремния. КПД солнечного элемента на монокристаллическом кремнии равен 14-17% в условиях массового производства [2. RU №2231867, 7 МПК H01L 31/18, H01L 21/304, С30В 29/06, С30В 11/00, опубликовано 2004.06.27]. Однако стоимость пластин из монокристаллического кремния достаточно высока и составляет 55% от
цены солнечного элемента [2]. Кроме того, согласно [1] второй слой выполнен из проводящей полимерной пленки, синтезированной из трех мономеров: полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина в массовом соотношении 10:8:4 методом потенциостатического циклирования при потенциалах: 7,5-10 В и от -3 до -5,5 В. Такая технология не обеспечивает повторяемости и стабильности свойств (химических, электрофизических) проводящей полимерной пленки, а значит и фотоэлектрического элемента в целом. Эти свойства зависят как от массового соотношения исходных мономеров, так и от выбранного потенциала процесса электрополимеризации. Так, в [1] отмечено, что полимерная пленка, полученная в массовом соотношении 7:4:2, не пригодна для эффективного преобразования электромагнитного излучения в электрический ток. Кроме того, как отмечено в [1], полианилин в максимально окисленном состоянии работает как полупроводник n-типа, являясь фотоанодом, и при этом быстро деградирует. В промежуточных же окисленных состояниях фотоэлектрохимическое поведение полианилина более сложно, разнообразно и не вполне понятно. При этом известно [1], что величина и направление фототока зависят от окисленного состояния полианилина. То есть, эффективность преобразования фотоэлектрического элемента в данном случае сильно зависит от стабильности электрофизических свойств синтезированной проводящей полимерной пленки.
Известен также твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию, представляющий собой сэндвич-структуру. [3. Патент SU №1801232, 5 МПК H01L 31/04, опубликован 07.03.93 г.], который является наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и взят за прототип. Этот твердотельный фотогальванический элемент включает неорганический полупроводник кремний n-типа проводимости, имеющий омический контакт (второй электрод) с использованием
индийгаллиевой эвтектики, снабженный выводом из медной проволоки. На лицевой поверхности монокристаллического кремния последовательно расположены электропроводящий органический полимер (поли-N-эпоксипропилкарбазол) с толщиной слоя 200-600 Å, допированный пентахлоридом сурьмы, и полупрозрачная пленка золота, снабженная электрическим контактом (первый электрод).
Недостатком данного фотогальванического элемента является низкий КПД преобразования, достигающий в максимуме лишь 1,2%, а также сложность его изготовления. Так, например, для нанесения на поверхность монокристаллического кремния слоя электропроводящего органического полимера (поли-N-эпоксипропилкарбазола) поверхность (свободную грань кремния) травят трижды в 48%-ном водном растворе HF. При этом процесс допирования пленки поли-N-эпоксипропилкарбазола, нанесенной на кремний, в растворе пентахлорида сурьмы в ацетонитриле также проводят трижды. Кроме того, подложка так же, как в [1] выполнена на основе монокристаллического кремния, что затрудняет получение стабильных параметров фотоэлектрического элемента при увеличении его площади и тем самым влияет на эффективность преобразования световой энергии в электрическую. Поскольку площадь фотоэлектрического элемента, обеспечивающего эффективное преобразование энергии, в данном случае зависит от возможностей технологии выращивания монокристаллов кремния, которая является дорогой, требует специальных условий. Кроме выращивания монокристалла, технология изготовления фотоэлектрического элемента предполагает резку, шлифовку и полировку, что также увеличивает стоимость фотоэлектрического элемента.
Задачей полезной модели является упрощение технологии изготовления фотоэлектрического элемента и снижение его стоимости при обеспечении эффективного преобразования энергии света в электрическую.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в получении стабильных характеристик преобразования фотоэлектрического элемента.
Технический результат достигается следующим образом. Как и в прототипе [3] заявляемая полезная модель содержит последовательно расположенные со стороны освещения первый электрод, электропроводящий органический слой, неорганический полупроводник кремний n-типа проводимости и второй электрод. В отличие от прототипа в заявляемой полезной модели электропроводящий органический слой выполнен в виде твердого электролита, насыщенного ионами катализатора, а второй электрод выполнен в виде металлической пластины, на которую нанесен аморфный кремний n-типа проводимости.
В некоторых случаях в качестве первого электрода может быть использована медная пластина, имеющая окно. Второй электрод может быть выполнен в виде медной пластины, покрытой никелем. Электропроводящий органический слой может быть выполнен из твердополимерного электролита Nafion, а в качестве катализатора использован 15%-й раствор хлорида платины в соляной кислоте.
Указанная совокупность признаков в уровне техники заявителем не обнаружена, что подтверждает новизну заявляемой полезной модели.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлена структура заявляемого фотоэлектрического элемента, содержащая последовательно расположенные: первый электрод 1, выполненный в виде медной пластины, имеющей окно и электрический контакт (этот электрод может быть выполнен, например, в виде сплошной (полупрозрачной) пленки из золота или других металлов, или медной сетки, также имеющих электрический контакт); электропроводящий органический слой 2 выполнен из твердополимерного электролита Nafion, насыщенного ионами катализатора. Слой 3 неорганического полупроводникового аморфного кремния n-типа
проводимости, нанесенный на второй электрод 5, выполнен в виде медной пластины, покрытой слоем никеля 4. Позицией 6 показан падающий свет на поверхность электропроводящего органического слоя 2. Позицией 7 показана нагрузка, подключенная к первому и второму электродам, через упомянутые электрические контакты.
2
-
+
Работа фотоэлектрического элемента рассмотрена на конкретном примере. Фотоэлектрический элемент изготавливают следующим образом. Первый и второй электроды выполнены из медных пластин. Первый электрод 1 выполняют в виде рамки. На второй электрод 5 для улучшения адгезии наносят гальваническим методом слой никеля 4 толщиной 10 мкм. На слой никеля 4 методом напыления наносят слой 3 неорганического полупроводникового аморфного кремния n-типа проводимости толщиной 1 мкм. После чего на полупроводниковый слой 3 наносят 15%-ный спиртовый раствор твердого полимерного электролита Nafion. Полимерный электролит Nafion выпускается промышленно компанией DuPont и реализуется в России компанией Поликом (сайт компании Поликом www.poly-com.ru). Твердый электролит Nafion является оптически прозрачным в видимой части спектра и представляет собой сополимер тетрафторэтилена и сомономера, имеющего боковые цепи, перфторированного винилового эфира, оканчивающиеся сульфогруппами SO , имеет высокую протонную электропроводность, обусловленную ионами водорода Н. На одну из сторон электрода 1 также наносят 15%-ный спиртовый раствор твердого полимерного электролита Nafion. После чего, поверхности обоих электродов 1 и 5 с нанесенными слоями полимерного электролита подсушивают на воздухе и погружают в раствор хлорида платины в соляной кислоте для насыщения ионами платины (катализатора), выдерживают в течение 15-20 мин., подсушивают на воздухе и прижимают друг к другу до их полного схватывания.
Работа предлагаемого фотоэлектрического элемента осуществляется следующим образом. На границе контакта полупроводник аморфный
+
-
+
-
2
кремний n-типа проводимости и твердый электролит Nafion, проводимость которого обусловлена протонами (положительными ионами водорода H), возникает физическое взаимодействие носителей заряда, приводящее к образованию двойного электрического слоя. Электроны e аморфного кремния n-типа, переходя в твердый электролит, захватываются подвижными ионами водорода H, образуя нейтральный атом водорода Н. Тем самым в твердом электролите образуется объемный отрицательный заряд, обусловленный зафиксированными (неподвижными) ионами SO  твердого электролита, а в полупроводнике аморфном кремнии n-типа проводимости - положительный, обусловленный нехваткой перешедших электронов. Электрическое поле объемного заряда направлено от полупроводника аморфного кремния n-типа проводимости к твердому электролиту Nafion, тем самым притягивая электроны со стороны электролита и дырки - со стороны полупроводника. Таким образом, создается двойной электрический слой, внутри которого образуется слой, обедненный основными носителями заряда подобно тому, как это происходит на границе полупроводников в p-n - переходе. Толщина этого слоя конечна и определяется объемными концентрациями носителей контактируемых материалов. Электрическое поле двойного электрического слоя образует потенциальный барьер. Кванты светового потока 6, проходящего через оптически прозрачный слой твердого электролита Nafion 2, поглощаются полупроводниковым слоем 3 аморфного кремния n-типа проводимости и генерируют в нем пары электрон-дырка. Образовавшиеся дырки затягиваются электрическим полем двойного электрического слоя, который способствует их перемещению в слой 2 твердого электролита Nafion. Перемещение дырок в сторону твердого электролита эквивалентно тому, что от нейтральных атомов водорода, находящихся в зоне контакта, отрывается электрон, который «компенсирует» образовавшуюся в результате генерации дырку. В полупроводнике аморфном кремнии n-типа
-
+
+
+
+
проводимости накапливается избыточный отрицательный заряд электронов e, а в твердом электролите положительный заряд ионов водорода Н. Если теперь к электродам подключить нагрузку, то отрицательно заряженные электроны e, будут двигаться от второго электрода 5, заряженного отрицательно, к первому электроду 1, заряженному положительно, снижать потенциальный барьер, образовавшийся в области контакта первого электрода 1 с твердым электролитом Nafion, и будут захватываться положительно заряженными ионами водорода Н, которые являются основными носителями заряда в твердом электролите Nafion. В твердом электролите Nafion передача электронов будет осуществляться по цепочке от одного иона водорода H к другому иону водорода Н, которые связаны с фиксированными отрицательно заряженными ионами
2
-
SO . При этом через нагрузку 7 протекает электрический ток, который поддерживается падающими на полупроводник n-типа проводимости 3 квантами света 6, преобразуя таким образом энергию света в электрическую.
Таким образом обеспечивается эффективное преобразование энергии света в электрическую с помощью фотоэлектрического элемента, один из слоев 2 которого выполнен из твердого электролита Nafion, выпускаемого промышленным способом и имеющего гарантированно стабильные характеристики. А другой слой 3 фотоэлектрического элемента выполнен из полупроводника аморфного кремния n-типа проводимости, имеющего высокий коэффициент поглощения света, более чем на порядок превышающий коэффициент поглощения монокристаллического кремния, что обеспечивает эффективное преобразование энергии света в электрическую энергию.
Кроме того, он является более дешевым и технологичным, что позволяет изготовить фотоэлектрический элемент большей площади, чем на основе монокристалла кремния. Увеличенная площадь фотоэлектрического элемента позволяет изготовить более дешевую солнечную батарею за счет
уменьшения количества соединительных контактов и обеспечить получение стабильных характеристик преобразования.
Приведенный пример выполнения заявляемой полезной модели не ограничивает другие возможные примеры реализации данного устройства. Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована с использованием материалов, выпускаемых промышленным способом, имеющих стабильные характеристики.