ПОЛИМЕРНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
POLYMER LUMINESCENT COMPOSITION FOR INCREASING PERFORMABILITY OF A PHOTOVOLTAIC CONVERTER

Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано для повышения эффективности работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) за счет трансформации солнечного электромагнитного излучения фиолетовой области спектра в синюю и голубую, в которой у ФЭП находится рабочий диапазон поглощения солнечной энергии.
Уровень техники
Солнечная энергетика на сегодняшний день считается одним из наиболее перспективных направлений получения электрической энергии для нужд человечества. Оно стремительно развивается за счет разработки и совершенствования технологий. Солнце - термоядерный реактор высокой мощности, которую перерабатывают в электрическую с помощью ФЭП. В настоящее время широко распространены фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллического кремния, однако их КПД составляет около 20%. Помимо этого, недостатками кремниевых ФЭП являются высокая стоимость и токсичность производства. Повышения эффективности работы ФЭП добиваются разработкой ФЭП на многопереходных структурах. Например, второе поколение ФЭП создано на основе пленок аморфного и микрокристаллического кремния, а также многокомпонентных полупроводников. Однако, такие ФЭП имеют меньшее значение КПД. ФЭП третьего поколения разработаны из проводящих полимеров, в том числе органических, но их производительность не превышает КПД других.
Другой альтернативой повышения эффективности работы является использование на светопоглощающей поверхности ФЭП полимерных композиций, содержащих люминесцентные добавки. Последние позволяют преобразовать за счет сдвига Стокса коротковолновое электромагнитное излучение в более длинноволновое. Внешняя квантовая эффективность, определяемая как отношение числа генерируемых электронно-дырочных пар к числу поглощенных фотонов для большинства ФЭП имеет низкое значение в коротковолновом диапазоне и достигает приемлемого уровня в области 500 нм и выше. В процессе трансформации коротковолновая область солнечного электромагнитного излучения поглощается полимерным люминесцентным покрытием, нанесенным на ФЭП, и переизлучается в области большей спектральной чувствительности ФЭП. Использование люминесцентных композиций совместно с ФЭП позволяет увеличить его КПД за счет перекрывания люминесцентного излучения с максимумом спектральной чувствительности ФЭП.
В качестве люминофоров могут использоваться полупроводниковые коллоидные квантовые точки, неорганические люминофоры, в том числе содержащие ионы редкоземельных элементов. Основным недостатком таких светотрансформирующих материалов является относительно низкий квантовый выход, высокая себестоимость, токсичность, низкая фотостабильность, плохая растворимость в органических, в том числе в полимерных матрицах.
Перспективными для использования в качестве светотрансформирующих покрытий являются полимерные композиции на основе органических люминофоров, которые имеют высокий квантовый выход, фотостабильность, хорошую растворимость в органических матрицах, низкую себестоимость. Способы использования полимерных композиций на основе органических люминофоров включают нанесение на освещаемую поверхность ФЭП, внедрение непосредственно в ФЭП во время его изготовления, применение в оптических устройствах, концентрирующих или перенаправляющих излучение на ФЭП.
Известно изобретение [пат. РФ №2524234, опубл. 27.04.2014], описывающее люминесцентное покрытие для использования излучения вне зоны спектральной чувствительности тонкопленочного ФЭП, увеличивающее его эффективность, и способ его получения. Предлагаемое покрытие получают из жидкой полимерной композиции, состоящей из полимера поливинилбутираля 9,0-16,0 мас.%; сшивающего агента 0,01-8,0 мас.%; адгезива 0,0-8,0 мас.%; от 0,05 до 3,0 мас.% люминофора или смеси люминофоров, вторично излучающих в спектральном диапазоне 400-900 нм, и неполярного протонного растворителя. Люминофор в данном изобретении выбирают из ряда неорганических и органических веществ, в частности применяют флуоресцин или его производные; 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол; кумарины; родамины. К недостаткам предлагаемых композиций можно отнести необходимость использования сшивающего агента, что усложняет процесс полимеризации и может привести к неоднородности получаемого покрытия. Помимо этого, высокое содержание люминофоров вплоть до 16% и наличие в составе композиции большого количества компонентов увеличивает стоимость конечного продукта, что является экономически невыгодным.
Известно изобретение [пат. US №9287419, опубл. 15.03.2016], описывающее люминофоры класса полициклических ароматических углеводородов, а именно производные перилена, полимерную люминесцентную композицию и модифицированный этой композицией ФЭП. Полимерная люминесцентная композиция содержит как минимум один люминофор, который поглощает излучение в коротковолновой области спектра и излучает в более длинноволновом диапазоне. Например, композиция, из 0,5 мас.% 4,10-бис(4-(трифторметил)фенил)перилен-3,9-дикарбоксилата в полиметилметакрилате имеет максимум длины волны возбуждения при 480 нм, и максимальную люминесценцию при 523 нм.
Полимерную люминесцентную композицию, содержащую оптически прозрачную полимерную матрицу и по меньшей мере один люминесцентный краситель, получают следующим способом. Сначала готовят раствор полиметилметакрилата растворением порошка полимера в тетрахлорэтилене при заданном соотношении 20 мас.%. На следующем этапе в раствор полимера добавляют люминесцентный краситель, например диизобутил 4,10-бис(4-(трифторметил)фенил)перилен-3,9-дикарбоксилат при массовом соотношении люминофор:полиметилметакрилат=0,5:99,5. Формирование тонкой пленки проводят путем непосредственного полива раствора полимера, содержащего краситель, на стеклянную подложку с последующей термообработкой подложки в течение 2 часов с постепенным увеличением температуры от комнатной до 100°С. После этого оставшийся растворитель полностью удаляют в процессе вакуумного нагрева при температуре около 130°С. Полученную пленку отделяют от подложки под водой и досушивают для использования в тестировании. Толщина пленки составляет около 250 мкм. Заявляемая композиция применима для ФЭП из сульфида кадмия/теллурида кадмия (CdS/CdTe) и селенида меди-индия-галлия (CIGS). Увеличение эффективности ФЭП составило от 12 до 16%.
Основной недостаток заявляемого изобретения связан с использованием производных перилена, которые являются канцерогенными. Это влечет за собой удорожание себестоимости продукции за счет необходимости применения более жестких мер безопасности при производстве модифицированных заявляемой композицией ФЭП, а также повышение себестоимости из-за обеспечения требований экологической безопасности при утилизации отработанных ФЭП. Помимо этого, в заявленной композиции для преобразования солнечного света не задействована фиолетовая и синяя области спектра, которые могут быть использованы для более полной светотрансформации. С другой стороны, в связи с отсутствием способности заявленных люминофоров поглощать солнечное излучение в УФ области требуется введение фотостабилизаторов, препятствующих постепенному разрушению пленки. Повышенное содержание люминофора и полимера также можно отнести к недостаткам предлагаемого изобретения в силу того, что сам ФЭП имеет небольшие размеры, а использование толстой пленки приведет к увеличению габаритов изделия.
Комбинирование двух и более люминофоров позволит варьировать спектральные характеристики светотрансформирующих композиций и/ил и управлять интенсивностью излучательной энергии за счет перекрывания полос люминесценции и возбуждения разных люминофоров.
Аналогами заявляемого изобретения по химическому составу и структуре являются технические решения, основанные на включении в состав полимерной люминесцентной композиции борорганических люминофоров.
В [пат. JP №6432697, опубл. 05.12.2018] описан синтез дииминатов дифторида бора для получения композиций, переизлучающих энергию из зеленой области спектра в красную, а также рассмотрена возможность их применения в светодиодах, приборах освещения, дисплеях с требованиями высокой стойкости и воспроизводимости светового потока. Композиции состоят из полимерной матрицы и двухкомпонентной люминесцентной добавки. В качестве матрицы могут использоваться полимеры разных типов (например, термопласты, реактопласты). В качестве люминесцентной добавки предложен ряд компонентов из группы А и группы Б, причем перечень таких люминесцирующих веществ включает широкий спектр как неорганических (хромофоры, квантовые точки, неорганические люминофоры), так и органических соединений (производные кумарина, родамина, дииминаты дифторида бора). Их особенность заключается в том, что смесь из двух компонентов поэтапно обеспечивает перенос энергии из зеленой в красную область спектра. В связи с этим, компоненты группы А поглощают энергию в области 430-500 нм и имеют полосу люминесценции в голубой части спектра в диапазоне 500-580 нм, а компоненты Б имеют полосу поглощения энергии в диапазоне 430-580 нм и полосу испускания в области 580-700 нм. Дииминаты дифторида бора, описанные в этом изобретении, в зависимости от типа заместителей могут проявлять спектральные свойства как компонентов группы А, так и группы Б. Предложенные в изобретении композиции суммарно включают в свой состав до 30 мас.% заявленных люминофоров от полимерной матрицы, предпочтительно концентрация люминофоров составляет 1-5 мас.%. Композиция может быть нанесена на разные виды подложек различными способами. Помимо этого, она может быть использована как индивидуально, так и приклеена к другой пленке, или расположена между двух пленок.
При этом соотношение А:Б варьируют в диапазоне 200:1-3:1. Таким образом, в предложенном изобретении эффективность светотрасформирующего покрытия основана на реализации переноса энергии от одного люминофора (компонент А) к другому люминофору (компонент В) для преобразования светового потока синего спектра с целью получения белого света, например, для создания дисплеев. Причем композиция из люминофоров схожей природы обеспечивает формирование однородных по составу и свойствам покрытий, что позволяет добиться более качественной цветопередачи по сравнению с классическими светодиодными источниками света.
Основными недостатками предложенной полимерной люминесцентной композиции являются описание применения только в области светотехники, а также необходимость использования светостабилизаторов для защиты полимерной матрицы от фотодеструкции, вызываемой УФ-излучением, так как полоса поглощения компонента А находится в синей области спектра.
2
2
2
2
Возможность использования отдельных представителей бета-дикетонатов дифторида бора предложена в [Khrebtov А.А., Fedorenko E.V. and Reutov V.A. «Polymeric Luminescent Compositions Doped with Beta-Diketonates Boron Difluoride as Material for Luminescent Solar Concentrator» // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, V. 262, P. 1-6] для получения прозрачных слаботонированных люминесцентных солнечных концентраторов. Последние состоят из стеклянной пластины, покрытой полимерной пленкой, и могут использоваться при производстве PV-окон, в торцах которых смонтированы фотовольтаические (PV) ячейки, поглощающие излучение и преобразующие его в электроэнергию. Таким образом, описанные полимерные люминесцентные композиции выступают как световоды, при этом часть переизлученного света выходит через конус потерь, но часть концентрируется на торцах стеклянной пластины благодаря полному внутреннему отражению. Техническое решение достигается композицией на основе полистирола, допированной смесью дибензоилметаната дифторида бора (DBMBF) и антраценоилацетоната дифторида бора (AntAcBF) суммарной концентрации 0,4 мас.%. Покрытие на основе этой композиции получают растворением в 20 мл толуола навесок полистирола (концентрация 5 мас.%), DBMBF (концентрация 0,2 мас.%) и AntAcBF (концентрация 0,2 мас.%) с последующим нанесением на стеклянную подложку, которую помещают в закрытую камеру до полного высыхания пленки. В результате получают прозрачные слабо тонированные покрытия.
2
2
2
2
2
2
Использование смеси люминесцентных красителей позволяет расширить область поглощения света и сместить излучение в более длинноволновую область за счет переноса энергии от одного люминофора к другому, так как максимум возбуждения AntAcBF совпадает с эмиссией DBMBF. В этом случае реализуется излучательная передача энергии от донора DBMBF к акцептору AntAcBF. Смесь обеспечивает более равномерное возбуждение красителей в УФ и синем спектральных диапазонах в отличие от люминофоров по отдельности. Передача излучательной энергии от DBMBF к AntAcBF приводит к передаче энергии света из УФ до желто-зеленой области спектра.
Основным недостатком предложенной композиции является отсутствие технической информации об эффективности использования, сведений о ее применимости для увеличения производительности ФЭП, а также достаточно низкий квантовый выход люминесценции.
Для увеличения эффективности ФЭП известен состав и способ получения тонкого слоя для преобразования проходящего света [пат.US №9382424, опубл. 05.07.2016], где в качестве люминофора используют производные бензотриазола. Полимерная композиция на основе данных люминесцентных соединений включает по крайней мере один люминофор и оптически прозрачный полимерный материал, выбранный из группы: полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат, поливинилбутираль, этиленвинилацетат, полиимид, аморфный поликарбонат, полистирол, золь-гель силоксана, полиуретан, полиакрилат или их комбинацию. ФЭП может быть представлен тонкопленочными устройствами на основе сульфида кадмия/теллурида кадмия (CdS/CdTe) или селенида меди-индия-галлия (CIGS), а также устройствами из аморфного, моно- и поликристаллического кремния.
В преимущественном способе осуществления в качестве матрицы используют поливинилбутираль. Для получения покрытия в раствор поливинилбутираля в циклопентаноне с концентрацией полимера 20 мас.% вводят люминесцентный краситель в концентрации 0,01-3 мас.%, предпочтительно 0,5 мас.%. Формирование тонкой светотрансформирующей пленки проводят путем полива раствора на стеклянную подложку, затем ее прогревают при температуре 100°С в течение 2 часов, полное удаление растворителя проводят при 130°С в течение ночи с использованием вакуумного оборудования. Полученную описанным способом тонкую пленку толщиной 5 мкм-0,5 мм снимают с подложки под водой и окончательно высушивают. Затем пленку размещают на ФЭП, причем она может быть нанесена как на сам корпус фотоэлемента, так и внедрена под его защитный слой. Для лучших оптических свойств между пленкой и фотоэлементом размещают специальную жидкость, которая согласует показатели преломления. Полученные таким образом полимерные люминесцентные композиции показывают повышение эффективности более чем на 0,4% для кремниевых ФЭП и более чем на 2% для фотоэлектрических преобразователей типа CdTe и CIGS.
Существенным недостатком описанных композиций является использование в составе токсичных производных бензотриазола. Известно, что бензотриазол и его производные вызывают раздражение кожи и глаз, серьезное раздражение дыхательных путей, требуют повышенных мер безопасности при работе с ними и дополнительных средств защиты для работников производств. Для биоценозов водных объектов производные бензотриазола также несут серьезную опасность. Все это накладывает ограничение на применение покрытий с таким люминофором.
В изобретении [пат. ЕР №2978820, опубл. 23.03.2018], являющимся прототипом, расширен класс производных бензотриазола, пригодных для увеличения производительности ФЭП. Сущность изобретения заключается в использовании в композиции одновременно двух и более органических люминофоров. Первый люминофор выбирают из ряда заявленных производных бензотриазола, которые имеют длину волны поглощения энергии менее 400 нм и длину волны люминесценции более 400 нм. Вторым и последующим люминофорами могут выступать известные органические соединения, в том числе заявленные в пат.US №9382424 и пат. US №9287419.
В частном варианте осуществления заявленного изобретения устройство из CdS/CdTe модифицируют люминесцентной пленкой для преобразования длины волны, что повышает эффективность ФЭП на 5-13%.
Способ получения полимерного люминесцентного покрытия повторяет описанный в US №9382424 способ, по которому в 20 мас.% раствор полимера в органическом растворителе вводят люминесцентный краситель в предпочтительной концентрации 0,5 мас.%. Готовый раствор путем полива наносят на стеклянную подложку. Затем ее прогревают при температуре 100°С в течение 2 часов, а полное удаление растворителя проводят при 130°С в течение ночи с использованием вакуумного оборудования. Отличие составляет то, что пленки изготавливают как минимум в два раза толще, в диапазоне 0,1-1 мм, за счет изменения концентрации раствора хромофора/полимера и скорости испарения растворителя.
Недостатком предложенной композиции является использование токсичных производных бензотриазола, высокие концентрации люминофоров и полимера, а также то, что смешение некоторых разных по физико-химическим свойствам люминофоров, в частности имеющих различную растворимость, может привести к процессам сегрегации, и как следствие к разрушению покрытия. Помимо этого, полимерное покрытие, полученное по предложенному способу, имеет толщину, что приводит к увеличению габаритов ФЭП. Сам способ характеризуется длительностью и использованием температуры, что требует дополнительного оборудования.
Основываясь на существующем уровне техники, была поставлена задача разработать полимерную люминесцентную композицию для увеличения эффективности работы ФЭП за счет переноса энергии из УФ, фиолетовой и синей области спектра в синюю более длинноволновую, где находится рабочий диапазон ФЭП. Техническое решение в итоге должно привести к снижению удельной стоимости производства энергии с помощью солнечных элементов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в использовании в составе полимерной люминесцентной композиции бороорганических соединений, поглощающих солнечную энергию в области 380-430 нм и излучающих в области 440-550 нм, обладающих повышенной фотостабильностью, низкой токсичностью. Полимерная люминесцентная композиция обеспечивает увеличение эффективности работы ФЭП при более низких концентрациях люминофора и при меньшей толщине пленочного покрытия. Помимо этого, способ изготовления покрытия имеет меньше стадий и проводится при комнатных температурах, что уменьшает длительность и энергоемкость процесса.
Технический результат достигают полимерной люминесцентной композицией для увеличения производительности ФЭП, включающей полимер и одно и более производное бета-дикетонатов дифторида бора, причем люминофоры подбирают так, чтобы полоса люминесценции одного люминофора пересекалась с полосой возбуждения люминесценции другого для оптимального перекрывания полосы люминесценции с максимумом спектральной чувствительности ФЭП.
Сущность изобретения
Заявляемая полимерная люминесцентная композиция состоит из полимера и одного и более люминофоров в концентрации 0,01-2,0 мас.% от массы полимера. В качестве полимерного материала композиция может включать поликарбонат, полистирол, сополимер стирола и метилметакрилата, полиметилметакрилат, этиленвинилацетат, поливинилацетат и их комбинации. При этом растворитель для приготовления светотрансформирующей композиции выбирают из веществ или их смеси из следующих групп: хлорированные углеводороды, ароматические углеводороды, кетоны, сложные эфиры, тетрагидрофуран, диоксан.
В качестве люминесцентного материала композиция содержит хотя бы одно борорганическое соединение следующей общей формулы:
1
2
где R выбирают из группы, включающей заместители: гетероарил, замещенный арил. R выбирают из группы, включающей заместители: ал кил, гетероалкил, арил, гетероарил, сложный эфир, алкоксил, циклоалкил, циклогетероалкил, циклоалкенил, циклогетероалкенил, флуоренил, полициклическая система, в которой каждое кольцо независимо представляет собой циклоалкил, арил, гетероциклоалкил или гетероарил.
При создании полимерной люминесцентной композиции с двумя люминофорами и более, люминофоры подбирают таким образом, чтобы полоса люминесценции одного люминофора полностью или частично перекрывалась с полосой возбуждения люминесценции другого люминофора.
Вариант способа изготовления выбирают из нанесения полимерной люминесцентной композиции на плоскую, выпуклую и/или вогнутую поверхность методами полива из раствора, макания в раствор, пневматического напыления и/или центрифугирования.
Для увеличения производительности ФЭП полимерную люминесцентную композицию размещают путем внедрения в ФЭП на стадии его изготовления в качестве одного из слоев, размещением в виде пленки на светопоглощающей поверхности ФЭП с помощью адгезива. В качестве адгезива (до 1 мас.% от массы полимера) могут быть использованы низко- и высокомолекулярные кремнийорганические соединения с различными заместителями и их комбинации, которые возможно вводить в состав на стадии растворения исходных компонентов.
В качестве ФЭП могут быть использованы устройства на основе аморфного, моно- и поликристаллического кремния, устройства с р-n переходом на основе элементов III-V и II-VI групп, CdS/CdTe, CIGS, сенсибилизированные красителем фотоэлектрические устройства, органические тонкопленочные устройства.
Светотрансформирующую композицию готовят при одновременном растворении порошков полимерного материала и люминофоров в растворителе при комнатной температуре, затем смесь перемешивают до образования однородной массы и формируют слой покрытия на плоской, выпуклой, вогнутой поверхности методами полива из раствора, пневматического напыления, макания в раствор, центрифугирования. После нанесения полимерную люминесцентную композицию высушивают при комнатной температуре до образования полимерной пленки. Затем пленку снимают с поверхности подложки под дистиллированной водой и окончательно высушивают. Сформированные покрытия имели толщину 0,01-0,1 мм.
Модификацию ФЭП проводили размещением полученного полимерного люминесцентного покрытия на слое оптически прозрачной жидкости (показатель преломления 1,474), нанесенной непосредственно на светопоглощающую поверхность ФЭП для устранения воздушной прослойки между пленкой и ФЭП.
Эффективность преобразования световой энергии в электрическую для модифицированного и немодифицированного ФЭП на основе поликристаллического кремния (mc-Si) измеряли с использованием ксеноновой лампы (цветовая температура 6000 К, мощность 35 Вт), расположенной на верхней стенке закрытой цилиндрической камеры (высота 33 см, диаметр 30 см). Для измерения мощности mc-Si ФЭП располагали в центре нижней стенки цилиндрической камеры перпендикулярно падающему свету ксеноновой лампы. Значения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода регистрировали с помощью мультиметра для определения мощности. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую с помощью ФЭП определяли по формуле:
ФЭП+пл
ФЭП
где Р - мощность ФЭП с использованием полимерной люминесцентной композиции, Вт; Р - мощность ФЭП без использования пленки, Вт.
Примеры осуществления изобретения представлены ниже, но не ограничиваются ими.
Пример 1.
возб
люм
Полимерную люминесцентную композицию в виде тонкой пленки изготавливали путем одновременного растворения в 5 мл 1,2-дихлорэтана 0,3002 г полистирола и 0,001 г дианизоилметаната дифторида бора, имеющего максимум полосы возбуждения люминесценции λ=430 нм и максимум полосы люминесценции λ=479 нм. Полученную смесь наносили методом полива на стеклянную подложку размером 7×7 см с последующим высушиванием в закрытой камере при комнатной температуре до полного испарения растворителя. Пленку отделяли от подложки под слоем дистиллированной воды и высушивали при комнатной температуре. Толщина пленочного покрытия была измерена с помощью микрометра и составила 0,05 мм. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую mc-Si ФЭП составил 1,35%.
Пример 2.
возб
люм
Полимерная люминесцентная композиция получена растворением в 6 мл этилацетата 0,3019 г полиметилметакрилата, 0,015 г полидифенилсилоксана (адгезив) и 0,0031 г дитолуилметаната дифторида бора, имеющего максимум полосы возбуждения люминесценции λ=380 нм и максимум полосы люминесценции λ=440 нм. После перемешивания изготовлена аналогично примеру 1. Толщина пленочного покрытия составила 0,07 мм. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую mc-Si ФЭП составил 1,37%.
Пример 3.
возб
люм
возб
люм
Полимерная люминесцентная композиция получена одновременным растворением в 6 мл толуола 0,4 г полистирола, 0,0008 г дитолуилметаната дифторида бора и 0,0009 г дианизоилметаната дифторида бора. Первый люминофор имеет максимум полосы возбуждения люминесценции λ=380 нм и максимум полосы люминесценции λ=440 нм, второй - λ=430 нм и λ=479 нм. После перемешивания светотрансформирующее покрытие готовили аналогично примеру 1. Толщина пленки составила 0,06 мм. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую mc-Si ФЭП составил 2,85%.
Пример 4.
возб
люм
Полимерная люминесцентная композиция получена растворением в 5 мл 1,2-дихлорэтана 0,3014 г поликарбоната и 0,001 г 2,2-дифтор-4-(4'-бромфенил)-6-(4'-метоксифенил)-1,3,2-диоксаборина, имеющего максимум полосы возбуждения люминесценции λ=409 нм и максимум полосы люминесценции λ=455 нм. После перемешивания светотрансформирующее покрытие готовили аналогично примеру 1. Толщина пленки составила 0,05 мм. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую ФЭП на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS) составил 4,97%. Пример 5.
Состав и способ получения полимерной люминесцентной композиции аналогичен примеру 4. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую mc-Si ФЭП составил 1,26%.
Пример 6.
возб
люм
Полимерная люминесцентная композиция получена растворением в 5,5 мл 1,2-дихлорэтана 0,3014 г поликарбоната и 0,0009 г 2,2-дифтор-4-фенил-6-(4'-метоксифенил)-1,3,2-диоксаборина, имеющего максимум полосы возбуждения люминесценции λ=382 нм и максимум полосы люминесценции λ=445 нм. После перемешивания светотрансформирующее покрытие готовили аналогично примеру 1. Толщина пленки составила 0,06 мм. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую CIGS ФЭП составил 4,75%.
Пример 7.
Состав и способ получения полимерной люминесцентной композиции аналогичен примеру 6. Прирост эффективности преобразования световой энергии в электрическую mc-Si ФЭП составил 2,22%.
Заменяющие листы (сто.7. 8.9)
В изобретении [пат. ЕР №2978820, опубл. 23.03.2018] расширен класспроизводных бензотриазола, пригодных для увеличения производительности ФЭП.Сущность изобретения заключается в использовании в композиции одновременнодвух и более органических люминофоров. Первый люминофор выбирают из рядазаявленных производных бензотриазола, которые имеют длину волны поглощенияэнергии менее 400 нм и длину волны люминесценции более 400 нм. Вторым ипоследующим люминофорами могут выступать известные органическиесоединения, в том числе заявленные в пат. US №9382424 и пат. US №9287419.
В частном варианте осуществления заявленного изобретения устройство изCdS/CdTe модифицируют люминесцентной плёнкой для преобразования длиныволны, что повышает эффективность ФЭП на 5-13%.
Способ получения полимерного люминесцентного покрытия повторяетописанный в US №9382424 способ, по которому в 20 мас.% раствор полимера ворганическом растворителе вводят люминесцентный краситель впредпочтительной концентрации 0,5 мас.%. Готовый раствор путём полива наносятна стеклянную подложку. Затем её прогревают при температуре 100°С в течение 2часов, а полное удаление растворителя проводят при 130°С в течение ночи сиспользованием вакуумного оборудования. Отличие составляет то, что плёнкиизготавливают как минимум в два раза толще, в диапазоне 0,1-1 мм, за счётизменения концентрации раствора хромофора/полимера и скорости испарениярастворителя.
Недостатком предложенной композиции является использование токсичныхпроизводных бензотриазола, высокие концентрации люминофоров и полимера, атакже то, что смешение некоторых разных по физико-химическим свойствамлюминофоров, в частности имеющих различную растворимость, может привести кпроцессам сегрегации, и как следствие к разрушению покрытия. Помимо этого,полимерное покрытие, полученное по предложенному способу, имеет толщину, чтоприводит к увеличению габаритов ФЭП. Сам способ характеризуетсядлительностью и использованием температуры, что требует дополнительногооборудования.
Наиболее близкими аналогами по химической структуре к заявляемымкомпозициям являются люминесцентные соединения на основе бета-дикетонатов[з. WO №2011011646, опубл. 27.01.2011]. В изобретении описаны композициилюминесцентных красителей, содержащие полимер в сочетании с соединениемлюминесцентного красителя общей формулы II:
которые подходят в качестве сенсоров на кислород в диагностических целях и длямониторинга эффективности терапии. Композиции с известными соединениями (втом числе с бета-дикетонатоми дифторида бора) используют для визуализации иколичественной оценки гипоксии и аноксии в клетках, тканях и in vivo.
Данное изобретение не описывает использование соединений бета-дикетонатов дифторида бора в композициях для увеличения эффективности работыфотоэлектрических преобразователей, что является его основным недостатком.
Основываясь на существующем уровне техники, была поставлена задачаразработать полимерную люминесцентную композицию для увеличенияэффективности работы ФЭП за счёт переноса энергии из УФ, фиолетовой и синейобласти спектра в синюю более длинноволновую, где находится рабочий диапазонФЭП. Техническое решение в итоге должно привести к снижению удельнойстоимости производства энергии с помощью солнечных элементов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в примененииполимерной люминесцентной композиции на основе бороорганическихсоединений, поглощающих солнечную энергию в области 380-430 нм иизлучающих в области 440-550 нм, обладающих повышенной фотостабильностью,низкой токсичностью для увеличения эффективности работы ФЭП при низкихконцентрациях люминофора и небольшой толщине плёночного покрытия.
Технический результат достигают применением в качествесветотрансформирующего покрытия для увеличения производительностифотоэлектрического преобразователя полимерной люминесцентной композиции,
включающей полимер из ряда полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат иодно и более бороорганическое соединение в суммарной концентрации 0,01-2,0мас.% общей формулы:
где Ri - замещённый арил, a R2 - алкил или арил.
Причём люминофоры в композиции подбирают так, чтобы полосалюминесценции одного люминофора пересекалась с полосой возбуждениялюминесценции другого для оптимального перекрывания полосы люминесценциис максимумом спектральной чувствительности ФЭП.