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

Изобретение относится к электротехнике и касается твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию.

Цель изобретения - повышение эффективности элемента в процессе преобразова-. ния энергии света в электрическую энергию и расширение области его спектральной - светочувствительности в видимой и ближней ИК областях спектра.

На фиг.1 показано схематическое изображение твердотельного фотогальванического .элемента на основе сэндвич-структуры CdTe/ПЭПК, допирован: -л.-.....,,.:,./ -. ; со

ный SbCls/Au; на.фиг.2 - спектральная за- О висимость фото-ЭДС этого элемента; на О4 фиг.З - спектральная зависимость фототока Jlbk. твердотельного фотогальванического эле- | мента n-CdTe/ПЭПК, допированный К SbCls/Au при облучении светом лампы „ ДКСШ-1000через монохроматорДМР-4 без учета спектрального распределения излуче- ( ния лампы..

Твердотельный фотогальванический элемент состоит из трех последовательных слоев, нанесенных на подложку из молибде-а новой фольги 1.; поликристаллического теллурида кадмия п-типа 2,

поли- М-эпоксипропилкарбэзола, дотированного SbCIs 3 и полупрозрачной пленки золота 4.

К подложке из молибденовой фольги приваривают методом контактной сварки токоотвод из железной проволоки диаметром 1 мм и всю поверхность молибденовой фольги и место контакта покрывают эпок- сидной смолой. Второй контакт изготавливают на слое золота с использованием серебряной пасты и медной проволоки.

П р и м е р 1. Твердотельный фотогальванический элемент готовят путем нанесения слоя поли-N эпоксипропилкарбазола на поверхность поликристаллического тел- лурида калия п-типа с удельным сопротивлением 2,610 Ом-см, который получают термической обработкой CdTe, нанесенного на молибденовую фольгу из суспензии ацетона, при 450°С в течение 2 ч. С этой целью к подложке из молибденовой фольги со слоем теллурида кадмия толщиной 20 м.км и площадью 1 см приваривают методом контактной сварки токоотвод из железной проволоки диаметром 1 мм и всю поверхность молибденовой фольги и место контакта покрывают эпоксидной смолой. Затем приготовленный таким образом электрод погружают в раствор поли-М-эпоксип- ропилкарбазола в бензоле с концентрацией 5, моль/л (0,055 г полимера с молекулярным весом 1100 растворяют в 10 мл бензола квалификации хч), выдерживают в растворе 15 сек., вынимают и сушат на воздухе. Процесс допирования пленки поли-N- эпоксипропилкзрбазола, нанесенной на поверхность-теллурида кадмия, осуществляют путем погружения электрода на 10 сек. в раствор пентахлорида сурьмы в ацетонит- риле (концентрация SbCIs равна 5,6-10 моль/л), затем электрод промывают ацето- нитрилом и сушат на воздухе. Эту операцию проводят три рази. 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 ПЭПК снимают на спектрофотометре Specord UVVIS. при этом пленку полимера наносят на кварцевую оптически прозрачную пластину и допируют описанным выше путем. Толщину пленки допированного ПЭПК на теллуриде кадмия определяют с помощью интерферометра Майкельсона и

о

она составляет порядка 200 А, а ее удельную электропроводность, равную 6,10 -см

, - стандартной методикой с использованием 4-х точечного зонда. На поверхность пленки допированного поли-М-эпоксипро- пилкарбазола методом термовакуумного напыления наносят полупрозрачную плено

ку 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-CdTe (ПЭПК (допированный SbCl5)/Au, схематическое изображение которого представлено на фиг.1. Основные характеристики данного

элемента определяют с помощью вольтметра В7-21 и пртенциостата ПИ-50-1 при облучении светом лампы накаливания КГМ-24 В, 150 Вт через стеклянные светофильтры СЗС-24 с интенсивностью падающего света

15 мВт/см2. Полученные значения напряжения холостого хода (UXx), тока короткого замыкания (кз), фактора заполнения (f) и КПД приведены в таблице 1, а область спектральной чувствительности элемента - на фиг.2 и

3.

Пример 2. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что в качестве полимерного слоя используют не допированный поли-М-эпоксипропилкарбазол, т.е. исключают стадию допирования полимера SbCls. Полученные значения Uxx и Кз приведены в табл.1.

П р и м е р 3. Твердотельный фотогальванический элемент готовят как в примере 1 с. той лишь разницей, что в качестве органического карбазолсодержащего полимера используют поливинилкарбазол (ПВК) с молекулярным весом 1000, характеризующегося после допирования SbCIs удельной электропроводностью . Полученные значения Uxx и кз приведены в табл.1. . ....

Как следует из данных табл.1 и фиг.2 и 3, твердотельный фотогальванический элемент на основе сэндвич-структуры n-CdTe /ПЭПК (допированный SbCls)/Au обладает коэффициентом полезного действия равным 3,2% и областью спектральной светочувствительности в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Причем, область максимальной светочувствительности элемента находится в диапазоне 540-820 нм, а в

ближней ИК-области элемент характеризуется максимальной спектральной светочувствительностью при 1250 нм и 1630 нм (фиг.2).

Следует также отметить, что элементы CdTe /ПЭПК (не допированнь1й)/Аи и CdTe

/ПВК(допированиый SbCls)/Au имеют значительно меньшие величины фототока и со- ответственноэффективности преобразования энергии света в электрическую, чем заявляемый элемент.

Примеры 4-7. Твердотельные фото- гальванические элементы готовят как в примере 1 с той лишь разницей, что варьируют концентрацию поли-М-эпоксипропилкарбз- зола в бензоле (5, 1. 8, 1. моль/л), из которого наносят пленку полимера на поверхность теллурида кадмия. Толщина пленокдопйрованного ПЭПК на теллуриде кадмия составляет 1500, 600,

о . . . .. .../. , -

400 А . Полученные значения Uxx и Кз для элементов, приготовленных в примерах 4- 7, а также в примере 1, приведены в табл.2;

Как следует из табл.2, необходимой и достаточной толщиной .пленки, электропроводящего органического полимера - домй- рованного поли-М-эпоксипропилкарбазола в твердотельном фотогальваническом элементе на основе структуры теллурйд кадмия (электропроводящий полимер) золото для достижения положительного эффекта явля- - : . -. - - ° . .

ется величина 200-600 А .

В табл.3 дано сопоставление основных характеристик предлагаемого Твёрдотельного фотогальванического элемента и элемента по прототипу.

. ; Таким образом, изданных табл.3 следует, что предлагаемый твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию характеризуется существенно большим КПД и обладает более расширенной областью спектральной светочувствительности, чем элементы по прототипу, и его коэффициент полезного действия достигает величины порядка 3,2%, а область спектральной светочувствительности элемента лежит в

диапазоне 260-1800 нм.

Формула изобретения

Твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию на основе сэндвич-структуры, включающей слой неорганического полупроводника А2Вбп-типа, слой электропроводящего органического пол- имера и слой золота, отличающийс я: тем, что, с целью повышения эффективности элемента в процессе преобразования энер- гии света в электрическую энергию и расши- рения области его спектральной светочувствительности в видимой и ближней ИКобластях спектра, в качестве неорганического, полупроводника А2ВбП-типа используют поликристаллический теллурид изделия, а в качестве электропроводящего органического полимера - поли-М-эпоксип- ропилкарбазол, допированный пентахлори.. : , -. . , - . .. о

дом сурьмы, с толщиной слоя 200-600 А.

Использование: изобретение относится к электротехнике и касается твердотельного фотогальванического элемента для преобразования энергии света в электрическую энергию. Сущность изобретения: фотогальванический элемент представляет собой сэндвич-структуру, сочетающую слой неорганического прликристаллического полупроводника п-типа - теллурида кадмия, слой электропроводящего органического полимера - поли-М-эпоксипропилкарбазо- ла, дозированного пентахлоридом сурьмы . О толщиной 200-600 А , и полупрозрачный слой золота. Фотогальванический элемент характеризуется КПД 3,2 % и областью спектральной светочувствительности 260-1800 нм. Зил., 3 табл. (Л С

Основные характеристики элементов для преобразования энергии света в электрическую

энергию

Таблица 1

Т а б л и ц а 2

Вольтамперные характеристики твердосгальных фотогэльваниче.ских элементов при различных толщинах слоя электропроводящего органического полимера

Основные характеристики предлагаемого элемента и элемента по

Т а б л и ц а 3

прототипу

плиний э -нло: xouoiofc