Твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию Советский патент 1993 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к электротехнике и касается твердотельных фотогальванических элементов для преобразования энергии света в электрическую энергию.

Цель изобретения - повышение эффективности элемента в процессе преобразования энергии света в электрическую энергию и его стабильности в процессе хранения и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в твердотельном фотогальваническом элементе, представляющем собой сэндвич-структуру, включающую монокристаллический полупроводник- кремний с n-типа проводимо; стью и пленку золота, в качестве электропро - водящего органического полимера используют поли-М-эпоксипропилкарбазол, допированный пентахлоридом сурьмы.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1, Твердотельный фотогальванический элемент готовят путем нанесения слоя поли-М-эпоксипропилкарбазола (ПЭПК) на поверхность монокристалличё- ского кремния n-типа с ориентацией (111) и удельным сопротивлением 4,0м см. С этой целью на тыльную сторону кристалла n-Si площадью 1 см2 наносят омический контакт с использованием индийгаллиевой эвтектики, который снабжают выводом из медной проволоки, и всю эту сторону кристалла покрывают эпоксидной смолой. Лицевую свободную грань кремния травят трижды в 48 %-ном водном растворе HF в течение 20 с, промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе. Затем приготовленный таким образом электрод погружают в раствор

00

о

ю со го

со

поли -эпоксипропилкарбазола в бензоле с концентрацией 5,0 моль/л (0,055 г полимера с молекулярным весом 1100 растворяют в 10 мл бензола квалификации хч), выдерживают в растворе 15 с, вынимают и сушэт на воздухе. Процесс допирования пленки поли-М-эпоксипропилкарбазола, нанесенной на кремний, осуществляют путем погружения электрода на 10 с в раствор пен- тахлорида сурьмы в ацетонитриле (концентрация SbCb равна 5,6 моль/л), затем электрод промывают ацетонитрилом и сушат на воздухе. Эту операцию проводят три раза. В результате допирования полимера пентахлоридом сурьмы бесцветная пленка ПЭПК приобретает зеленую окраску, а в спектре поглощения появляется полоса с максимумом 800 нм, принадлежащая, катион-радикальному карбазольному хромофору. Спектр поглощения допированного снимают на спектрофотометре Specord UV VIS, при этом пленку полимера наносят на кварцевую оптически прозрачную пластину и допируют описанным выше путем.

Толщина пленки допированного ПЭПК на поверхности кремния составляет порядка 200 А, а ее удельная электропроводность, равняется 6 , которую определяют по стандартной методике с использованием четырехточечного зонда. На поверхность пленки допированного поли-М- эпоксипропилкарбазола методом термовак у- умного напыления наносят полупрозрачную пленку золота толщиной 100 А и с помощью серебряной пасты подводят вывод из медной проволоки. В результате проведенных операций получают фотогальванический элемент с сэндвич-структурой n-SI (ПЭПК), допированный SbCls/Au, схематическое изображение которого представлено на чертеже, где 1 - монокристалл кремния с n-типа проводимостью; 2 - галлийиндиевая эвтектика; 3 - вывод.из медной проволоки; 4 - ПЭПК, допированный пентахлоридом сурьмы; 5 - тонкий слой золота; V - вольтметр. Основные характеристики данного элемента определяют с помощью вольтметра В7-21 и потенциостата ПИ-50-1 при облучении светом лампы накаливания КГМ-24В, 150 Вт, через стеклянные светофильтры СЗС-24 с интенсивностью падающего света 21,2 мВт/см2. Полученные значения напряжения холостого хода Uxx, тока короткого замыкания 1Кз, фактора заполнения f и КПД приведены в табл. 1,

Пример 2. Фотогальванический элемент готовят как в примере 1, с той лишь

разницей, что в качестве полимерного слоя используют недопированный поли-Ы-эпок- сипропилкарбазол, т. е. исключают стадию допирования.полимера SbCls. Полученные

значения Uxx и кз приведены в табл. 1.

Пример 3. Твердотельный фотогальванический элемент, приготовленный по примеру 1, хранят в течение 12 месяцев на воздухе и затем измеряют его характеристики (Uxx и кз) при облучении светом лампы накаливания КГМ-24В, 150 Вт, через стеклянные светофильтры СЗС-24 с интенсивностью падающего света 21,2 мВт/см2. Полученные результаты приведены в табл. 1.

П р и м е р 4. Твердотельный фотогальванический элемент, приготовленный по примеру 1, облучают как в примере 3 в течение 98 ч и затем измеряют его характеристики (Uxx и 1Кз), которые приведены в табл. 1.

П р и м е р 5. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1, с той лишь разницей, что в качестве органического карбазолсодержащего полимера используют поли-М-винилкарбазол (ПВК) с

молекулярным весом 1000, характеризующийся после допирования SbCIs удельной электропроводностью 5 Ом . Полученные значения .Uxx и кз приведены в табл. 1.

Примеры 6-9. Твердотельные фотогальванические элементы готовят как в примере 1, с той лишь разницей, что варьируют концентрацию поли-Н-эпоксипропил- карбазола в бензоле (5,0 , 1,0 ,

8,0 :. , 1,0 моль/л), из которого наносят пленку полимера на поверхность кремния. Толщина пленок допированного ПЭПК на кремнии составляет 1500, 600, 400 А. Полученные значения Uxx и Кз для элементов, приготовленных в примерах 6 - 9, а также в примере 1, приведены в табл. 2. Формула изобретения Твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света

в электрическую энергию на основе сэндвич-структуры, включающей неорганический полупроводник кремний п-типа проводимости, электропроводящий органический полимер и пленку золота, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности элемента в процессе преобразования энергии света в электрическую энергию и его стабильности в процессе хранения и эксплуатации, в качестве электропроводящего органического полимера используют поли-М-эпоксипропилкарбазол, допированный пентахлог идом сурьмы, с толщиной слоя 200 «- 600 А.

Т а б л и ц а 1

Основные характеристики элементов для преобразования энергии света в электрическую

энергию

Использование: изобретение относится к электротехнике и касается твердотельных фотогальванических элементов для преобразования энергии света в электрическую энергию. Сущность: фотогальванический элемент представляет собой сэндвич-структуру, включающую неорганический полупроводник п-типа - кремний, электропроводящий органический полимер - поли-Ы-эпоксипропил- карбазол, допированный пентахлоридом сурьмы, толщиной слоя 200 600К и полупрозрачную пленку золота. 1 ил., 2 табл, s Ё

Элемент, приготовленный по примеру 3, хранился в течение 12 месяцев на воздухе. Элемент, приготовленный по примеру 4, облучали 98 ч, а затем измеряли Uxx и кз.

Таблица2

Вольтамперные характеристики твердотельных фотогальванических элементов при различных толщинах слоя электропроводящего органического полимера

Таблиц а 3 Основные характеристики предлагаемого элемента и элемента по прототипу

Продолжение табл. 3