ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ГИБКОМ НОСИТЕЛЕ Российский патент 2010 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей энергии, а более конкретно к солнечным элементам со сверхтонким поглощающим слоем.

Известен ряд полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей энергии [1-3], которые используются в солнечных батареях.

Известен солнечный элемент, включающий твердотельный прозрачный носитель, проводящий слой нижнего электрода, слой акцептора электронов с развитой поверхностью (выполнен из пористого оксида титана), слой сенсибилизирующего красителя, электролит и верхний электрод [1]. Недостатком данного солнечного элемента является наличие в его конструкции жидкого электролита, что снижает области применения такого солнечного элемента и срок его эксплуатации.

Известен солнечный элемент [2]. Он включает твердотельный прозрачный носитель, проводящий слой нижнего электрода, слой акцептора электронов из оксида титана, функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, планаризующий слой акцептора дырок и металлический верхний электрод. Недостатком данного солнечного элемента является то, что в нем используется планарный слой оксида титана, характеризующийся неэффективной морфологией поверхности, что не обеспечивает приемлемого значения его КПД.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является солнечный элемент [3]. Солнечный элемент выполнен в виде многослойной структуры, расположенной на поверхности твердотельного гибкого проводящего носителя, который одновременно является нижним электродом. Многослойная структура содержит слой акцептора электронов из пористого оксида титана, функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда (сенсибилизирующий краситель), слой акцептора дырок (электролит), верхний прозрачный электрод. Недостатком данного солнечного элемента является наличие в его конструкции жидкого электролита, это существенно ограничивает температурный диапазон его работоспособности, что, в свою очередь, снижает области применения такого солнечного элемента и срок его эксплуатации. Он характеризуется невысокой надежностью.

Задача - расширение температурного диапазона работоспособности, надежности и улучшение эксплуатационных свойств солнечного элемента.

Сущность изобретения заключается в следующем. Солнечный элемент состоит из твердотельного гибкого проводящего носителя и расположенной на нем многослойной структуры. Твердотельный носитель является одновременно слоем нижнего электрода. Многослойная структура содержит слой акцептора электронов из пористого оксида титана, функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, планаризующий слой акцептора дырок и верхний прозрачный электрод. Функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда выполнен в виде тонкой пленки халькогенида металла n-типа проводимости. Планаризующий слой акцептора дырок выполнен в виде пленки вырожденного полупроводника p-типа проводимости. Твердотельный носитель может быть выполнен из титана.

В отличие от конструкции-прототипа конструкция предложенного солнечного элемента содержит функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, выполненный в виде тонкой пленки халькогенида металла n-типа проводимости, а планаризующий слой акцептора дырок, выполненный в виде пленки вырожденного полупроводника p-типа проводимости. Это позволило исключить из конструкции солнечного элемента жидкий функциональный слой и расширить температурный диапазон работоспособности, в отличие от прототипа, с 70°С до 300°С. Это, в свою очередь, качественно расширяет области применения такого солнечного элемента и срок его эксплуатации. Он характеризуется повышенной надежностью. В качестве гибкого проводящего носителя может быть применена титановая фольга. Выбор титановой фольги позволяет упростить технологические условия реализации заявляемой конструкции солнечного элемента, поскольку, проведя анодное окисление ее приповерхностной области, реализуем на поверхности твердотельного носителя слой акцептора электронов из пористого оксида титана. В данном случае обеспечивается повышенная сцепляемость поверхностей твердотельного носителя и слоя акцептора электронов. Это повышает надежность конструкции в целом.

Схематическое представление твердотельного солнечного элемента на проводящем гибком носителе приведено на чертеже, где 1 - твердотельный гибкий носитель и слой нижнего электрода, 2 - слой акцептора электронов из оксида титана, 3 - функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, 4 - планаризующий слой акцептора дырок, 5 - верхний электрод.

Пример исполнения.

Твердотельный солнечный элемент на гибком носителе содержит твердотельный гибкий проводящий носитель. Твердотельный носитель выполнен из титановой фольги и является одновременно слоем нижнего электрода. На титановой фольге расположен слой акцептора электронов из пористого оксида титана (TiO_2-x), полученного анодным окислением титановой фольги. На слое пористого оксида титана расположен функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, представляющий собой сверхтонкий слой сульфида индия (In₂S₃). Далее расположен планаризующий слой акцептора дырок. Он выполнен из тиоцианата меди (CuSCN). На планаризующем слое расположен верхний электрод, представляющий собой тонкую прозрачную пленку из легированного сурьмой оксида цинка (ZnO:Sb).

Экономическая эффективность от использования предложенной конструкции солнечного элемента связана с расширением его областей применения и срока его эксплуатации. Практическая значимость обусловлена тем, что предложенное устройство является альтернативой традиционным преобразователям энергии (ТЭС, ГЭС, АЭС и др.), характеризуется малой себестоимостью, является мобильным в условиях эксплуатации.

Источники информации

1. Патент США US 2008092955, H01L 31/00.

2. S.Gavrilov, I.Oja, В.Lim, A.Belaidi, W.Bohne, E.Strub, J.Rohrich, M.-Ch. Lux-Steiner, Th.Dittrich. Charge selective contact on ultra-thin In(OH)×Sy/Pb(OH)×Sy heterostructure prepared by SILAR. Phys. stat. sol. (a). 2006. V.203. № 5. P.1024-1029.

3. Патент США US 6335480, H01L 31/00 - прототип.

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей энергии, а более конкретно к солнечным элементам со сверхтонким поглощающим слоем. Конструкция данного солнечного элемента состоит из твердотельного гибкого проводящего носителя и расположенной на нем многослойной структуры. Твердотельный носитель выполнен из титана и является одновременно слоем нижнего электрода. Многослойная структура содержит слой акцептора электронов из пористого оксида титана, функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, выполненный в виде тонкой пленки халькогенида металла n-типа проводимости, планаризующего слоя акцептора дырок, выполненного в виде пленки вырожденного полупроводника р-типа проводимости, и верхний прозрачный электрод. Изобретение обеспечивает расширение температурного диапазона работоспособности, повышение надежности и улучшение эксплуатационных свойств солнечного элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Твердотельный солнечный элемент на гибком носителе, состоящий из твердотельного проводящего гибкого носителя, который одновременно является нижним электродом, и последовательно расположенных на нем слоя полупроводникового акцептора электронов из пористого оксида титана, функционального слоя для генерации и разделения неравновесных носителей заряда, планаризующего слоя акцептора дырок и верхнего прозрачного электрода, отличающийся тем, что функциональный слой для генерации и разделения неравновесных носителей заряда выполнен в виде тонкой пленки халькогенида металла n-типа проводимости, а слой акцептора дырок выполнен в виде пленки вырожденного полупроводника р-типа проводимости.

2. Твердотельный солнечный элемент на гибком носителе по п.1, отличающийся тем, что твердотельный проводящий гибкий носитель выполнен из титана.