RU2694113C2 - Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing - Google Patents
Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694113C2 RU2694113C2 RU2017141051A RU2017141051A RU2694113C2 RU 2694113 C2 RU2694113 C2 RU 2694113C2 RU 2017141051 A RU2017141051 A RU 2017141051A RU 2017141051 A RU2017141051 A RU 2017141051A RU 2694113 C2 RU2694113 C2 RU 2694113C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- photosensitive
- conductivity
- heterogeneous structure
- semiconductor layer
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 28
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 183
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 131
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 65
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims abstract description 59
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims abstract description 59
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 claims abstract description 50
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 50
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 7
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical group [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 12
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 claims description 11
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 9
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 8
- MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N [60]pcbm Chemical compound C123C(C4=C5C6=C7C8=C9C%10=C%11C%12=C%13C%14=C%15C%16=C%17C%18=C(C=%19C=%20C%18=C%18C%16=C%13C%13=C%11C9=C9C7=C(C=%20C9=C%13%18)C(C7=%19)=C96)C6=C%11C%17=C%15C%13=C%15C%14=C%12C%12=C%10C%10=C85)=C9C7=C6C2=C%11C%13=C2C%15=C%12C%10=C4C23C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 claims description 5
- 229920000280 Poly(3-octylthiophene) Polymers 0.000 claims description 4
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 4
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- AGBXYHCHUYARJY-UHFFFAOYSA-N 2-phenylethenesulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)C=CC1=CC=CC=C1 AGBXYHCHUYARJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 claims 1
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 abstract description 78
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 144
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 28
- 239000002229 CNT20 Substances 0.000 description 16
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 7
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 238000004654 kelvin probe force microscopy Methods 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 239000002011 CNT10 Substances 0.000 description 5
- 241000710771 Tick-borne encephalitis virus Species 0.000 description 5
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 5
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- 238000001075 voltammogram Methods 0.000 description 4
- RFFLAFLAYFXFSW-UHFFFAOYSA-N 1,2-dichlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1Cl RFFLAFLAYFXFSW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 2-ethylhexyloxy Chemical group 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 3
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N anisole Chemical compound COC1=CC=CC=C1 RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 2
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PDQRQJVPEFGVRK-UHFFFAOYSA-N 2,1,3-benzothiadiazole Chemical compound C1=CC=CC2=NSN=C21 PDQRQJVPEFGVRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NUCIQEWGTLOQTR-UHFFFAOYSA-N 4,4-bis(2-ethylhexyl)-4h-cyclopenta[1,2-b:5,4-b']dithiophene Chemical compound S1C=CC2=C1C(SC=C1)=C1C2(CC(CC)CCCC)CC(CC)CCCC NUCIQEWGTLOQTR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005964 Acibenzolar-S-methyl Substances 0.000 description 1
- 229910018507 Al—Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- MEMAWLJCEJYBOW-UHFFFAOYSA-N COC1=CC=C(C=C1)C1=C(C=CC=2C3=CC=C(C=C3C3(C1=2)C1=CC(=CC=C1C=1C=CC(=CC=13)N)N)N)N Chemical compound COC1=CC=C(C=C1)C1=C(C=CC=2C3=CC=C(C=C3C3(C1=2)C1=CC(=CC=C1C=1C=CC(=CC=13)N)N)N)N MEMAWLJCEJYBOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000020 Nitrocellulose Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229920000109 alkoxy-substituted poly(p-phenylene vinylene) Polymers 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000469 dry deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004754 hybrid cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N methoxybenzene Substances CCCCOC=C UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001220 nitrocellulos Polymers 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000013557 residual solvent Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- FITUHHPILMJZMP-UHFFFAOYSA-N styrene;sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O.C=CC1=CC=CC=C1 FITUHHPILMJZMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001392 ultraviolet--visible--near infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD
Настоящее изобретение относится к полупроводниковым гибридным структурам для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании альтернативных источников энергии.The present invention relates to semiconductor hybrid structures for converting the energy of light radiation into electrical energy, and can be used to create alternative energy sources.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
За последние три десятилетия значительно возрос интерес к применению некристаллических и гетерогенных материалов для изготовления солнечных элементов и на данный момент эти материалы являются одной из наиболее исследуемой областей фотовольтаики. Исследования в данной области имеют три главные задачи: (1) улучшение эффективности преобразования энергии устройствами, (2) уменьшение стоимости их изготовления, (3) обеспечение неизменности характеристик модуля в течение нескольких десятилетий в условиях на открытом воздухе, тем самым обеспечивая выработку модулем большего количества энергии, чем было затрачено при изготовлении модуля.Over the past three decades, interest in the use of non-crystalline and heterogeneous materials for the manufacture of solar cells has increased significantly, and at the moment these materials are one of the most studied areas of photovoltaics. Research in this area has three main objectives: (1) improving the efficiency of energy conversion by devices, (2) reducing the cost of their manufacture, (3) ensuring that the characteristics of the module remain unchanged for several decades in outdoor conditions, thereby ensuring that the module produces more energy than was spent in the manufacture of the module.
Одним из основных материалов, используемых в тонкопленочных солнечных элементах (СЭ) и обеспечивающих существенное снижение стоимости ватта выработанной мощности, является аморфный гидрогенизированный кремний (α -Si:Н). С одной стороны, интерес к тонким пленкам поглотителя (абсорбера) α-Si:H связан со сравнительно низкой стоимостью изготовления, возможностью создания приборов больших площадей и возможностью изготовления гибких фотовольтаических устройств при низкой температуре производства. В последнее время сообщалось об использовании гибридных фотоэлектрических преобразователей, содержащих α-Si:H в комбинации с различными органическими проводящими полимерами, такими как PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен):полистирол сульфонат), Р3НТ (поли(3-гексилтиофен-2,5-диил)), РСМВ (метиловый эфир фенил-С61-масляной кислоты), MEH-PPV (поли[2-метокси-5-(2-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилен]), PCPDTBT (поли[2,6-(4,4-бис-(2-этилгексил)-4H-циклопента [2,1-b;3,4-b']дитиофен)-alt-4,7(2,1,3-бензотиадиазол)]) и гибридных фотоэлектрических преобразователей, содержащих пилипирол/ α-Si с эффективностью превращения энергии не более 3%. С другой стороны, значительный вклад в область развития солнечных элементов принесли наноматериалы на основе углерода, например, углеродные нанотрубки (УНТ), в частности, при создании солнечных элементов на основе кристаллического кремния C-Si, полимеров и перовскитных материалов.One of the main materials used in thin-film solar cells (SE) and providing a significant reduction in the cost of watt power generated is amorphous hydrogenated silicon (α -Si: H). On the one hand, interest in thin films of the absorber (absorber) α-Si: H is associated with a relatively low cost of manufacture, the possibility of creating devices of large areas and the possibility of making flexible photovoltaic devices at low production temperatures. Recently, the use of hybrid photoelectric converters containing α-Si: H in combination with various organic conductive polymers such as PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate), P3HT (poly (3-hexylthiophene -2,5-diyl)), RSMB (phenyl-C61-butyric acid methyl ester), MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylylene)], PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b '] dithiophene) -alt-4,7 (2,1,3- benzothiadiazole)]) and hybrid photoelectric converters containing pilipyrol / α-Si with an energy conversion efficiency of no more than 3%. On the other hand, carbon-based nanomaterials, such as carbon nanotubes (CNTs), have made a significant contribution to the development of solar cells, in particular, in the creation of solar cells based on crystalline silicon C-Si, polymers and perovskite materials.
Однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), обладают рядом преимуществ: высокая гибкость, большая площадь поверхности, высокая подвижность носителей зарядов, химическая стабильность и уникальные электрооптические свойства. Тонкую пленку ОСУНТ можно применять не только в качестве прозрачного высокопроводящего «окна» в солнечном элементе, но и в качестве электрода с дырочной или электронной проводимостью. Тонкопленочные гибридные фотоэлектрические преобразователи на основе ОСУНТ и α-Si:H изучены недостаточно хорошо.Single-walled carbon nanotubes (SWCNT) have several advantages: high flexibility, large surface area, high carrier mobility, chemical stability, and unique electro-optical properties. A thin film SWCNT can be used not only as a transparent, highly conductive "window" in a solar cell, but also as an electrode with hole or electronic conductivity. Thin-film hybrid photoelectric converters based on SWCNT and α-Si: H are not well understood.
В документе Д1 [М. Schriver, W. Regan, М. Loster and A. Zettl, 2010, Carbon nanostructure_aSi:H photovoltaic cells with high open-circuit voltage fabricated without dopants Solid State Commun. 150, pp 561-563] исследовали свойства тонкой пленки углеродных многослойных нанотрубок и графена в сочетании с пленкой нелегированного аморфного кремния, нанесенных на поверхность стекла, покрытого проводящим слоем оксидом индия и олова.In document D1 [M. Schriver, W. Regan, M. Loster and A. Zettl, 2010, Carbon nanostructure_aSi: H.voltaic cells with high-voltage circuits. 150, pp 561-563] investigated the properties of a thin film of carbon multilayer nanotubes and graphene in combination with a film of undoped amorphous silicon deposited on the surface of glass coated with a conductive layer of indium oxide and tin.
В документе Д2 [S.D. Gobbo, P. Castrucci, М. Scarselli, L. Camilli, M.D. Crescenzi, L. Mariucci, A. Valletta, A. Minotti and G. Fortunato, 2011, Carbon nanotube semitransparent electrodes for amorphous silicon based photovoltaic devices Appl. Phys. Lett. 98, pp 183113] раскрыто фотовольтаическое устройство на основе ОСУНТ/a-Si:H, и способ его изготовления. В частности, суспензию ОСУНТ в 1,2-дихлорбензоле наносили с помощью распыления на a-Si:H.In document D2 [S.D. Gobbo, P. Castrucci, M. Scarselli, L. Camilli, M.D. Crescenzi, L. Mariucci, A. Valletta, A. Minotti and G. Fortunato, 2011, Carbon nanotube semitransparent electrodes for amorphous silicon based photovoltaic devices Appl. Phys. Lett. 98, pp 183113] disclosed photovoltaic device based on single walled carbon nanotubes / a-Si: H, and the method of its manufacture. In particular, a suspension of single walled carbon nanotubes in 1,2-dichlorobenzene was sprayed onto a-Si: H.
В документе Д3 [A.M. Funde et al. 2016, Carbon nanotube-amorphous silicon hybrid solar cell with improved conversion Efficiency Nanotechnology 27, pp 185401] описаны гибридные солнечные элементы на основе аморфного кремния и однослойных углеродных нанотрубок, которые выступают в роли слоя р-типа проводимости.In document D3 [A.M. Funde et al. 2016, Carbon nanotube-amorphous silicon hybrid cell with improved conversion efficiency, Nanotechnology 27, pp 185401] describes hybrid solar cells based on amorphous silicon and single-layer carbon nanotubes, which act as a layer of p-type conductivity.
Из документов Д1-Д3 видно, что эффективность превращения энергии (КПД) составляет 0,02% (Д1), 0,08% (Д2), 0,5% и 1,5% (Д3), что сильно отличается от приемлемых значений для применений в фотовольтаике. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, авторы настоящего изобретения полагают, что такие низкие значения КПД могут быть получены из-за использования УНТ низкого качества и плохого контакта между УНТ и α-Si:H.Documents D1-D3 show that the energy conversion efficiency (efficiency) is 0.02% (D1), 0.08% (D2), 0.5% and 1.5% (D3), which is very different from acceptable values. for photovoltaic applications. Not wanting to be limited to any particular theory, the authors of the present invention believe that such low efficiency values can be obtained due to the use of low-quality CNTs and poor contact between the CNT and α-Si: H.
Из уровня техники также известны документы, раскрывающие гибридные солнечные элементы, имеющие n-i-p конфигурацию, состоящую из микрокристаллического кремния (n-слой), микрокристаллического и гидрогенизированного аморфного кремния (i-слой) и PEDOT:PSS (р-слой), также характеризующиеся низкой эффективностью превращения энергии [E.L. Williams and G.E. Jabbour, Q. Wang, S.E. Shaheen, D.S. Ginley and E.A. Schiff. Appl. Phys. Lett. 87, 223504 (2005)].The prior art also documents that disclose hybrid solar cells having a nip configuration consisting of microcrystalline silicon (n-layer), microcrystalline and hydrogenated amorphous silicon (i-layer) and PEDOT: PSS (p-layer), also characterized by low efficiency energy conversion [el Williams and G.E. Jabbour, Q. Wang, S.E. Shaheen, D.S. Ginley and E.A. Schiff. Appl. Phys. Lett. 87, 223504 (2005)].
Однако известные способы изготовления фотоэлектрических преобразователей, как правило, являются дорогими и сложными в осуществлении.However, the known methods of manufacturing photoelectric converters, as a rule, are expensive and difficult to implement.
Поэтому существует необходимость создания новых гибридных фотоэлектрических преобразователей с улучшенными свойствами. В частности, есть необходимость в новых дешевых и простых фотоэлектрических преобразователях, способы производства которых не оказывают отрицательного влияния на окружающую среду.Therefore, there is a need to create new hybrid photoelectric converters with improved properties. In particular, there is a need for new cheap and simple photoelectric converters, the production methods of which do not have a negative impact on the environment.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF INVENTION
В первом аспекте настоящее изобретение относится к композиции, содержащей однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) и полимер, обладающий дырочной проводимостью. ОСУНТ в составе композиции могут образовывать случайно ориентированную пространственную сеть. ОСУНТ в составе композиции могут быть металлическими нанотрубками, полупроводниковыми нанотрубками с р-типом проводимости или их смесью.In a first aspect, the present invention relates to a composition comprising single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and a polymer having hole conduction. A SWCNT as part of a composition can form a randomly oriented spatial network. The SWCNT in the composition can be metal nanotubes, semiconductor nanotubes with p-type conductivity, or a mixture thereof.
В одном из вариантов реализации ОСУНТ с полупроводниковой проводимостью характеризуются работой выхода в диапазоне от 3,0 до 6,0 эВ, предпочтительно в диапазоне от 4,0 до 5,0 эВ, наиболее предпочтительно 4,5 эВ с запрещенной зоной в диапазоне от 0,1 до 1,0 эВ, предпочтительно в диапазоне от 0,3 до 0,7 эВ, наиболее предпочтительно 0,5 эВ и ОСУНТ с металлической проводимостью характеризуются запрещенной зоной в диапазоне от 3,0 до 8,0 эВ, предпочтительно в диапазоне от 4,0 до 7,0 эВ, наиболее предпочтительно 5,0 эВ и работой выхода в диапазоне от 0 до 3,0 эВ, предпочтительно в диапазоне от 0 до 1,5 эВ, наиболее предпочтительно нулевой работой выхода.In one embodiment, the implementation of single walled carbon nanotubes with a semiconductor conductivity is characterized by a work function in the range from 3.0 to 6.0 eV, preferably in the range from 4.0 to 5.0 eV, most preferably 4.5 eV with a band gap in the range from 0 , 1 to 1.0 eV, preferably in the range from 0.3 to 0.7 eV, most preferably 0.5 eV and SWCNT with metallic conductivity are characterized by a band gap in the range from 3.0 to 8.0 eV, preferably in the range from 4.0 to 7.0 eV, most preferably 5.0 eV and an exit function in the range from 0 to 3.0 eV, preferably in the range from 0 to 1.5 eV, most preferably by the zero work function.
Средний диаметр ОСУНТ в составе композиции находится в диапазоне от 1 до 5 нм, предпочтительно в диапазоне от 1,5 до 3 нм. В частном варианте реализации средний диаметр ОСУНТ составляет 2,1 нм.The average diameter of the SWCNT in the composition is in the range from 1 to 5 nm, preferably in the range from 1.5 to 3 nm. In the private implementation, the average diameter SWCNT is 2.1 nm.
Полимер, обладающий дырочной проводимостью, в настоящем изобретении может представлять собой один полимер или смесь полимеров, обладающих дырочной проводимостью, или смесь одного или более полимера, обладающего дырочной проводимостью, с одним или более полимером, не обладающим дырочной проводимостью.The polymer with hole conductivity in the present invention can be a single polymer or a mixture of polymers with hole conductivity, or a mixture of one or more polymer with hole conductivity, with one or more polymer that does not have hole conductivity.
Полимеры, обладающие дырочной проводимостью известны специалистам в данной области техники. В частном варианте реализации, полимер, обладающий дырочной проводимостью, может быть выбран из PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен):полистирол сульфонат), Р3НТ:РСВМ (поли(3-гексилтиофен-2,5-диил):метиловый эфир фенил-С61-масляной кислоты), Р3ОТ (поли(3-октилтиофен-2,5-диил), PCDTBT:PCBM (поли[N-9'-гептадеканил-2,7-карбазол-alt-5,5-(4',7'-ди-2-тиенил-2',1',3'-бензотиадиазол)]:метиловый эфир фенил-С61-масляной кислоты) и спиро-OMeTAD (N2, N2, N2', N2', N7, N7, N7', N7'-октакис(4-метоксифенил)-9,9'-спироби[9Н-флуорен]-2,2',7,7'-тетрамин). В более частном варианте реализации полимер, обладающий дырочной проводимостью, представляет собой PEDOT:PSS.Polymers with hole conductivity are known to those skilled in the art. In the private implementation, the polymer with hole conductivity, can be selected from PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate), P3NT: PCBM (poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl): methyl Phenyl-C61-butyric acid ester), P3OT (poly (3-octylthiophene-2,5-diyl), PCDTBT: PCBM (poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- ( 4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)]: methyl phenyl-C61-butyric acid ester) and spiro-OMeTAD (N 2 , N 2 , N 2 ', N 2 ', N 7, N 7, N 7', N 7 '-oktakis (4-methoxyphenyl) -9,9'-spirobi [9H-fluorene] -2,2', 7,7'-tetramine). The more private implementation of the polymer having yrochnoy conductivity is PEDOT: PSS.
В одном из вариантов реализации полимер, обладающий дырочной проводимостью, равномерно распределен и полностью заполняет пустоты случайно ориентированной пространственной сети ОСУНТ. В другом варианте реализации полимер, обладающий дырочной проводимостью, частично заполняет пустоты случайно ориентированной пространственной сети ОСУНТ и распределен неравномерно.In one of the embodiments of the polymer with hole conductivity, is uniformly distributed and completely fills the voids of the randomly oriented spatial network SWCNT. In another embodiment, a hole-conductive polymer partially fills the voids of a randomly oriented SWCNT spatial network and is unevenly distributed.
Композиция согласно настоящему изобретению подходит для изготовления фоточувствительных гетерогенных структур и преобразователей на их основе.The composition according to the present invention is suitable for the manufacture of photosensitive heterogeneous structures and transducers based on them.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к материалу, изготовленному из композиции согласно настоящему изобретению.In a second aspect, the present invention relates to a material made from a composition according to the present invention.
Материал согласно настоящему изобретению подходит для изготовления фоточувствительных гетерогенных структур и преобразователей на их основе.The material according to the present invention is suitable for the manufacture of photosensitive heterogeneous structures and transducers based on them.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к пленке, изготовленной из материала или композиции согласно настоящему изобретению.In a third aspect, the present invention relates to a film made from a material or composition according to the present invention.
Пленка согласно настоящему изобретению содержит однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) и полимер, обладающий дырочной проводимостью. ОСУНТ в составе пленки могут образовывать случайно ориентированную пространственную сеть.The film according to the present invention contains single-layer carbon nanotubes (SWCNT) and a polymer that has hole conductivity. SWCNTs in a film can form a randomly oriented spatial network.
В одном из вариантов реализации полимер, обладающий дырочной проводимостью, равномерно распределен и полностью заполняет пустоты случайно ориентированной пространственной сети ОСУНТ в пленке. В другом варианте реализации полимер, обладающий дырочной проводимостью, частично заполняет пустоты случайно ориентированной пространственной сети ОСУНТ и распределен неравномерно, преимущественно заполняя пустоты с одной из сторон пленки.In one of the embodiments of the polymer with hole conductivity, is uniformly distributed and completely fills the voids of a randomly oriented spatial network SWCNT in the film. In another embodiment, a hole-conductive polymer partially fills the voids of a randomly oriented SWCNT spatial network and is unevenly distributed, mostly filling voids on one side of the film.
В другом варианте реализации пленка согласно настоящему изобретению состоит из слоя полимера, обладающего дырочной проводимостью, как описано выше, и слоя ОСУНТ, которые образуют случайно ориентированную пространственную сеть. Слои не проникают друг в друга, или могут частично проникать друг в друга или полностью смешиваться. Слой ОСУНТ может состоять из нескольких слоев ОСУНТ, нанесенных последовательно. Также слой полимера, обладающего дырочной проводимостью, может состоять из нескольких слоев ОСУНТ, нанесенных последовательно. Слои ОСУНТ могут быть сгруппированы вместе или произвольным образом чередоваться со слоями полимера, обладающего дырочной проводимостью.In another embodiment, the film according to the present invention consists of a polymer layer having a hole conductivity, as described above, and a SWCNT layer, which form a randomly oriented spatial network. Layers do not penetrate into each other, or can partially penetrate into each other or completely mix. A layer of a SWCNT may consist of several layers of a SWCNT applied sequentially. Also, a layer of polymer with hole conductivity may consist of several layers of SWCNT applied successively. The layers of single wallode carbon nanotubes can be grouped together or randomly alternated with layers of a polymer that has hole conductivity.
В одном из вариантов реализации пленка согласно настоящему изобретению имеет работу выхода диапазоне от 3,0 до 8,0 эВ, предпочтительно от 4,0 до 6,5 эВ, предпочтительно от 4,0 до 5,5 эВ, наиболее предпочтительно 4,95 эВ и имеет более низкое электрическое сопротивление по сравнению со слоем ОСУНТ такой же толщины, но без полимера, обладающего дырочной проводимостью.In one of the embodiments of the film according to the present invention has a work output range from 3.0 to 8.0 eV, preferably from 4.0 to 6.5 eV, preferably from 4.0 to 5.5 eV, most preferably 4.95 eV and has a lower electrical resistance compared to a layer of single walled carbon nanotubes of the same thickness, but without a polymer that has hole conductivity.
Пленка согласно настоящему изобретению подходит для изготовления фоточувствительных гетерогенных структур и преобразователей на их основе.The film according to the present invention is suitable for the manufacture of photosensitive heterogeneous structures and transducers based on them.
В четвертом аспекте настоящее изобретение относится к фоточувствительным гетерогенным структурам.In a fourth aspect, the present invention relates to photosensitive heterogeneous structures.
В одном из вариантов реализации фоточувствительная гетерогенная (гибридная) структура согласно настоящему изобретению включает слой, представляющий собой пленку согласно настоящему изобретению, описанную выше (слой ОСУНТ/полимер), и слой полупроводника, обладающего электронной проводимостью. В том случае, когда полимер, обладающий дырочной проводимостью, неравномерно распределен по толщине пленки (слою ОСУНТ/полимер) и преимущественно находится с одной их ее сторон, слой ОСУНТ/полимер может быть обращен к слою полупроводника, обладающего электронной проводимостью, любой из сторон. Слой полупроводника, обладающего электронной проводимостью, может быть выполнен из гидрогенизированного аморфного кремния (α-Si:H), допированного для придания электронной проводимости. В частном варианте реализации α-Si:H допирован фосфором для придания электронной проводимости. Толщина слоя ОСУНТ/полимер может составлять от примерно 55 до примерно 85 нм, предпочтительно от примерно 65 до примерно 75 нм, более предпочтительно примерно 70 нм, причем однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) составляют от примерно 10 нм до примерно 30 нм, предпочтительно от примерно 15 до примерно 25 нм, более предпочтительно примерно 19 нм. Толщина слоя полупроводника, обладающего электронной проводимостью, может составлять от примерно 10 до примерно 60 нм, предпочтительно от примерно 20 до примерно 40 нм, более предпочтительно примерно 30 нм.In one embodiment, the photosensitive heterogeneous (hybrid) structure according to the present invention includes a layer comprising the film according to the present invention described above (SWCNT / polymer layer) and a semiconductor layer having electronic conductivity. In the case when a polymer with hole conductivity is unevenly distributed across the film thickness (SWCNT / polymer layer) and is predominantly on one of its sides, the SWCNT / polymer layer can face the electron-conducting semiconductor layer on either side. The layer of semiconductor with electronic conductivity can be made of hydrogenated amorphous silicon (α-Si: H), doped to impart electronic conductivity. In the private version of the implementation of α-Si: H doped with phosphorus to impart electron conductivity. The thickness of the SWCNT / polymer layer can be from about 55 to about 85 nm, preferably from about 65 to about 75 nm, more preferably about 70 nm, and single-walled carbon nanotubes (SWCNT) range from about 10 nm to about 30 nm, preferably from about 15 to about 25 nm, more preferably about 19 nm. The thickness of the semiconductor layer having electronic conductivity can be from about 10 to about 60 nm, preferably from about 20 to about 40 nm, more preferably about 30 nm.
Слой ОСУНТ/полимер с толщиной слоя ОСУНТ в диапазоне от 10 до 30 нм (предпочтительно от 15 до 25 нм) и толщиной слоя полимера от 35 до 65 нм (предпочтительно от 45 до 55 нм) обеспечивает повышенные значения тока, вырабатываемого фоточувствительной гетерогенной структурой. Также слой ОСУНТ/полимер обеспечивает увеличение эффективной площади контакта на границе с другим полупроводником, а также способствует переходу дырок в полимере, обладающем дырочной проводимостью, в пространственную сеть ОСУНТ за счет более высокой подвижности носителей заряда ОСУНТ вдоль их одномерной оси.The SWCNT / polymer layer with a SWCNT layer thickness in the range from 10 to 30 nm (preferably from 15 to 25 nm) and a polymer layer thickness from 35 to 65 nm (preferably from 45 to 55 nm) provides increased values of the current produced by the photosensitive heterogeneous structure. Also, the layer of SWCNT / polymer provides an increase in the effective contact area at the border with another semiconductor, and also contributes to the transition of holes in a polymer with hole conductivity into the spatial network of SWCNT due to the higher mobility of SWCNT charge carriers along their one-dimensional axis.
В другом варианте реализации между слоем ОСУНТ/полимер и слоем полупроводника, обладающего электронной проводимостью, может располагаться слой полупроводника с собственной проводимостью. Слой полупроводника, обладающего собственной проводимостью, может быть выполнен из гидрогенизированного аморфного кремния (α-Si:H). Толщина слоя полупроводника, обладающего собственной проводимостью, может составлять от примерно 150 до примерно 500 нм, предпочтительно от примерно 200 до примерно 400 нм, более предпочтительно от примерно 250 до примерно 350 нм, наиболее предпочтительно примерно 350 нм. Слой полупроводника с собственной проводимостью способствует процессу фотогенерации, увеличивая тем самым эффективность гетерогенной структуры. Кроме того, применение слоя ОСУНТ/полимер на поверхности полупроводника уменьшает коэффициент отражения, увеличивая тем самым эффективность гетерогенной структуры.In another implementation, between the layer of single wallet nanotubes / polymer and a layer of semiconductor with electronic conductivity, there can be a layer of semiconductor with its own conductivity. The semiconductor layer having intrinsic conductivity can be made of hydrogenated amorphous silicon (α-Si: H). The thickness of the intrinsic semiconductor layer can be from about 150 to about 500 nm, preferably from about 200 to about 400 nm, more preferably from about 250 to about 350 nm, most preferably about 350 nm. A layer of semiconductor with its own conductivity contributes to the process of photogeneration, thereby increasing the efficiency of a heterogeneous structure. In addition, the application of a SWCNT / polymer layer on the surface of a semiconductor reduces the reflection coefficient, thereby increasing the efficiency of the heterogeneous structure.
Фоточувствительная гетерогенная структура согласно настоящему изобретению подходит для изготовления фотоэлектрических преобразователей.Photosensitive heterogeneous structure according to the present invention is suitable for the manufacture of photoelectric converters.
В пятом аспекте настоящее изобретение относится к тонкопленочным гибридным фотоэлектрическим преобразователям (солнечным элементам).In the fifth aspect, the present invention relates to thin-film hybrid photoelectric converters (solar cells).
В одном варианте реализации фотоэлектрический преобразователь согласно настоящему изобретению содержит фоточувствительную гетерогенную структуру согласно настоящему изобретению и два проводящих слоя, один из которых находится в контакте с внешней стороной слоя ОСУНТ/полимер гетерогенной структуры, а другой в контакте с внешней стороной слоя полупроводника, обладающего электронной проводимостью, гетерогенной структуры. По меньшей мере один из проводящих слоев по меньшей мере частично пропускает световое излучение. В частном варианте реализации оба слоя проводника по меньшей мере частично пропускают световое излучение. В этом случае фотоэлектрический преобразователь является двухсторонним. Проводящий слой может быть выполнен из оксида цинка, легированного алюминием (ZnO+Al (AZO)), оксида индия, легированного оловом (In2O3+Sn (ITO)).In one embodiment, the photoelectric converter according to the present invention contains a photosensitive heterogeneous structure according to the present invention and two conductive layers, one of which is in contact with the outer side of the coaxial carbon / polymer layer of the heterogeneous structure, and the other in contact with the outer side of the semiconductor layer having electronic conductivity , heterogeneous structure. At least one of the conductive layers at least partially transmits light. In the private version of the implementation of both layers of the conductor at least partially transmit light radiation. In this case, the photoelectric converter is two-way. The conductive layer can be made of zinc oxide doped with aluminum (ZnO + Al (AZO)), indium oxide doped with tin (In 2 O 3 + Sn (ITO)).
В альтернативном варианте реализации один или оба проводящих слоя могут быть заменены на металлические сетки или другие токосъемные средства по меньшей мере частично пропускающие световое излучение.In an alternative embodiment, the implementation of one or both of the conductive layer can be replaced with a metal mesh or other current-collecting means at least partially transmitting light radiation.
В другом варианте реализации фотоэлектрический преобразователь согласно настоящему изобретению дополнительно имеет защитный слой, который находится в контакте с внешней стороной одного из проводящих слоев. Защитный слой предохраняет фотоэлектрический преобразователь от неблагоприятных воздействий окружающей среды, а также может служить в качестве антиотражающего покрытия. Присутствие антиотражающего покрытия уменьшает отражающие свойства поверхности, что приводит к тому, что большая доля светового излучения достигает фотоэлектрического преобразователя, в результате чего повышается его эффективность. Защитный слой может быть расположен с обеих сторон фотоэлектрического преобразователя. Защитный слой может быть выполнен из полиметилметакрилата (ПММА).In another embodiment, the photoelectric converter according to the present invention further has a protective layer that is in contact with the outside of one of the conductive layers. The protective layer protects the photoelectric converter from the adverse effects of the environment, and can also serve as an anti-reflective coating. The presence of an anti-reflective coating reduces the reflective properties of the surface, which leads to the fact that a large proportion of the light radiation reaches the photoelectric converter, as a result of which its efficiency increases. The protective layer can be located on both sides of the photoelectric converter. The protective layer can be made of polymethyl methacrylate (PMMA).
В другом варианте реализации фотоэлектрический преобразователь расположен на подложке. Предпочтительно подложка по меньшей мере частично пропускает световое излучение. Это позволяет сделать фотоэлектрический преобразователь двухсторонним. Примеры материалов подложек включают стекло и прозрачный полимер. В некоторых вариантах реализации подложка является гибкой.In another embodiment, the photoelectric converter is located on the substrate. Preferably, the substrate at least partially transmits light. This allows you to make the photoelectric converter two-way. Examples of substrate materials include glass and a transparent polymer. In some embodiments, the substrate is flexible.
В шестом аспекте настоящее изобретение относится к панели, содержащей по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь согласно настоящему изобретению.In a sixth aspect, the present invention relates to a panel comprising at least one photoelectric converter according to the present invention.
В седьмом аспекте настоящее изобретение относится к модулю, содержащему по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь согласно настоящему изобретению.In the seventh aspect, the present invention relates to a module comprising at least one photoelectric converter according to the present invention.
В восьмом аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления композиции, материала или пленки согласно настоящему изобретению.In the eighth aspect, the present invention relates to a method for producing a composition, material or film according to the present invention.
Данный способ включает:This method includes:
- обеспечение слоя однослойных углеродных нанотрубок;- providing a layer of single-walled carbon nanotubes;
- нанесение на слой однослойных углеродных нанотрубок слоя полимера, обладающего дырочной проводимостью, с получением композиции, материала или пленки согласно настоящему изобретению.- applying to the layer of single-walled carbon nanotubes a layer of polymer with hole conductivity, to obtain a composition, material or film according to the present invention.
В частном варианте реализации слой однослойных углеродных нанотрубок может состоять из нескольких слоев ОСУНТ, нанесенных последовательно. Слой полимера, обладающего дырочной проводимостью, может состоять из нескольких слоев ОСУНТ, нанесенных последовательно. Слои ОСУНТ могут быть сгруппированы вместе или произвольным образом чередоваться со слоями полимера, обладающего дырочной проводимостью.In the private implementation, the layer of single-walled carbon nanotubes may consist of several layers of SWCNT applied sequentially. A layer of polymer with hole conductivity may consist of several layers of SWCNT applied successively. The layers of single wallode carbon nanotubes can be grouped together or randomly alternated with layers of a polymer that has hole conductivity.
В частном варианте реализации описанный способ дополнительно включает стадию осуществления воздействия на композицию, материал или пленку, обеспечивающего по меньшей мере частичное проникновение полимера, обладающего дырочной проводимостью, в слой однослойных углеродных нанотрубок. Примером такого воздействия является нагревание.In the private implementation of the described method further includes the stage of effecting the composition, material or film, providing at least partial penetration of the polymer with hole conductivity into the layer of single-layer carbon nanotubes. An example of such exposure is heating.
В частном варианте реализации за стадией обеспечения слоя однослойных нанотрубок может следовать необязательная стадия его уплотнения.In the private version of the implementation of the stage of providing a layer of single-walled nanotubes may be followed by an optional stage of its seal.
В частном варианте реализации стадия обеспечения слоя однослойных углеродных нанотрубок представляет собой стадию нанесения слоя однослойных углеродных нанотрубок на подложку. Подложка может представлять собой слой полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или слой полупроводника, обладающего собственной проводимостью.In the private implementation, the stage of providing a layer of single-walled carbon nanotubes is a stage of applying a layer of single-layer carbon nanotubes on a substrate. The substrate can be a layer of semiconductor with electronic conductivity, or a layer of semiconductor with its own conductivity.
В частном варианте реализации подложка представляет собой фрагмент фоточувствительной гетерогенной структуры или фотоэлектрического преобразователя. В этом случае описываемый способ является стадией получения фоточувствительной гетерогенной структуры или фотоэлектрического преобразователя.In the private implementation, the substrate is a fragment of a photosensitive heterogeneous structure or photoelectric transducer. In this case, the described method is the stage of obtaining a photosensitive heterogeneous structure or photoelectric converter.
Частные методики и способы осуществления стадий описанного способа известны в данной области техники. Примеры таких методик и способов описаны в экспериментальной части настоящего описания.Private techniques and methods for implementing the steps of the described method are known in the art. Examples of such techniques and methods are described in the experimental part of the present description.
В девятом аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления гетерогенной структуры, фотоэлектрического преобразователя, панели, или модуля согласно настоящему изобретению, при этом способ включает сборку компонентов или составных частей гетерогенной структуры, фотоэлектрического преобразователя, панели, или модуля в подходящей последовательности с использованием методик и способов известных из уровня техники. Настоящее изобретение обеспечивает достижение по меньшей мере следующих технических результатов.In a ninth aspect, the present invention relates to a method for manufacturing a heterogeneous structure, a photoelectric converter, a panel, or a module according to the present invention, the method including assembling components or components of a heterogeneous structure, a photoelectric converter, a panel, or module in a suitable sequence using techniques and methods known from the prior art. The present invention achieves at least the following technical results.
Синергетический эффект ОСУНТ и полимера, обладающего дырочной проводимостью, позволил получить лучшие вольтамперные характеристики пленок, полученных из композиций согласно настоящему изобретению.The synergistic effect of SWCNT and a polymer with hole conductivity made it possible to obtain the best current-voltage characteristics of the films obtained from the compositions according to the present invention.
Кроме того, нанесение пленки, содержащей ОСУНТ и полимер, обладающий дырочной проводимостью, на поверхность другого полупроводника уменьшает коэффициент отражения. При этом гибридные фотоэлектрические элементы, содержащие защитный слой, демонстрируют уменьшение отражения на примерно 4,5% в видимом диапазоне.In addition, the deposition of a film containing SWCNT and a polymer with hole conductivity on the surface of another semiconductor reduces the reflection coefficient. At the same time, hybrid photovoltaic cells containing a protective layer show a decrease in reflection of about 4.5% in the visible range.
Гибридные фотоэлектрические преобразователи согласно настоящему изобретению обладают улучшенной производительностью (КПД) и стабильностью (эксплуатационными характеристиками).Hybrid photoelectric converters according to the present invention have improved performance (EFFICIENCY) and stability (performance).
После ознакомления с данным описанием специалисту станут понятны и другие технические результаты, обеспечиваемые настоящим изобретением.After reviewing this description, the specialist will become clear and other technical results provided by the present invention.
Описанные в настоящем документе новые тонкопленочные гибридные фотоэлектрические преобразователи, также называемые гибридными солнечными элементами, можно применять в гибких электронных устройствах, устройствах энергосистем, автомобилях, в качестве фотоэлектрических элементов, интегрированных в сооружение или здание, и в различных областях промышленности.The new thin-film hybrid photoelectric converters, also called hybrid solar cells, described in this document can be used in flexible electronic devices, power system devices, automobiles, as photovoltaic cells integrated in a building or building, and in various industries.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг. 1а схематически демонстрирует способ изготовления гибридного фотоэлектричекого преобразователя.FIG. 1a schematically shows a method for manufacturing a hybrid photoelectric converter.
На Фиг. 2а представлено морфологическое СЭМ изображение пленок, содержащих беспорядочно ориентированные ОСУНТ.FIG. 2a shows a morphological SEM image of films containing randomly oriented SWCNTs.
На Фиг. 2b представлено морфологическое СЭМ изображение равномерного покрытия композитной пленки, содержащей ОСУНТ и PEDOT:PSS.FIG. 2b shows a morphological SEM image of a uniform coating of a composite film containing SWCNT and PEDOT: PSS.
На Фиг. 3 представлена зависимость толщины и поверхностного сопротивления пленки из ОСУНТ от коэффициента пропускания при 550 нм.FIG. 3 shows the dependence of the thickness and surface resistance of the film of single walled carbon nanotubes on the transmittance at 550 nm.
На Фиг. 4 представлено СЭМ изображение поперечного сечения гибридного фотоэлектричекого преобразователя на основе ОСУНТ/α-Si:H.FIG. 4 shows a SEM image of a cross section of a hybrid photoelectric converter based on SWCNT / α-Si: H.
На Фиг. 5а представлены вольтамперограммы фототока и темнового тока для УНТ20 гибридных фотоэлектричеких преобразователей, содержащих пленки ОСУНТ различной толщины.FIG. 5a shows voltammograms of photocurrent and dark current for CNT20 hybrid photoelectric converters containing SWCNT films of various thickness.
На Фиг. 5b представлены спектры внешней квантовой эффективности гибридных фотоэлектричеких преобразователей, содержащих пленки ОСУНТ различной толщины.FIG. 5b shows the spectra of the external quantum efficiency of hybrid photoelectric converters containing SWCNT films of various thickness.
На Фиг. 6а представлены вольтамперограммы фототока и темнового тока для гибридных фотоэлектричеких преобразователей, содержащих и не содержащих слой ПММА, изготовленных с применением образца УНТ20.FIG. 6a shows voltammograms of photocurrent and dark current for hybrid photoelectric transducers containing and not containing PMMA layer, made using the sample CNT20.
На Фиг. 6b представлены спектры внешней квантовой эффективности гибридных фотоэлектричеких преобразователей, содержащих и не содержащих слой ПММА, изготовленных с применением образца УНТ20.FIG. Figure 6b shows the spectra of the external quantum efficiency of hybrid photoelectric converters containing and not containing a PMMA layer, made using the sample of CNT20.
На Фиг. 7 представлены спектры отражения поверхностей пленок α-Si:H, гибридных фотоэлектрических преобразователей без ПММА и с ПММА, α-Si:H с PEDOT:PSS и α-Si:H с пленкой из ОСУНТ.FIG. 7 shows the reflection spectra of the surfaces of α-Si: H films, hybrid photoelectric converters without PMMA and with PMMA, α-Si: H with PEDOT: PSS and α-Si: H with a film of single walled carbon nanotubes.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
В настоящем документе в частном варианте реализации предложены тонкопленочные гибридные фотоэлектрические преобразователи (солнечные элементы), имеющие n-i-p конфигурацию, обеспечиваемую слоем, содержащим однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) и поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат (PEDOT:PSS) и слоем, содержащим гидрогенизированный аморфный кремний (α-Si:H) i- и n-типа проводимости. Предложенный гибридный солнечный элемент состоит из последовательно нанесенных слоев: прозрачный субстрат, проводящий слой, слой аморфного кремния n-типа проводимости, слой аморфного кремния i-типа проводимости, слой композитной пленки, состоящей из ОСУНТ и PEDOT:PSS, и необязательно тонкий слой полиметилметакрилата (ПММА). При этом тонкопленочный слой кремния образует непрерывный гетерогенный переход с композитной пленкой, содержащей ОСУНТ и PEDOT:PSS. В настоящем документе также предложен способ изготовления, указанного гибридного фотоэлектрического преобразователя.In this document, in a particular embodiment, thin-film hybrid photoelectric converters (solar cells) are proposed, having a nip configuration provided by a layer containing single-layer carbon nanotubes (SWCNT) and poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrene sulfate (PEDOT: PSS) and layer containing hydrogenated amorphous silicon (α-Si: H) of i- and n-type conductivity.The proposed hybrid solar cell consists of successively applied layers: a transparent substrate, a conducting layer, a layer of amorphous silicon n -conductivity type, a layer of amorphous i-type silicon, a layer of a composite film consisting of SWCNT and PEDOT: PSS, and optionally a thin layer of polymethyl methacrylate (PMMA) .With this, a thin-film silicon layer forms a continuous heterogeneous transition with a composite film containing SWCNT and PEDOT : PSS. This document also proposes a method of manufacturing a specified hybrid photoelectric converter.
В настоящем изобретении тонкие пленки α-Si:H с собственной проводимостью используются в качестве первичного поглотителя света. Слой ОСУНТ/PEDOT:PSS используется в качестве слоя «окна» (вместо слоя α-Si:H, обладающего р-типом проводимости) и проводящего переднего контакта. Такие гибридные фотоэлектрические преобразователи обладают механической эластичностью и могут выполнены как на стекле, так и на полимерных гибких подложках.In the present invention, self-conducting α-Si: H thin films are used as the primary light absorber. The SWCNT / PEDOT: PSS layer is used as a “window” layer (instead of an α-Si: H layer with p-type conductivity) and a conductive front contact. Such hybrid photoelectric converters have mechanical elasticity and can be made both on glass and on polymer flexible substrates.
В одном частном варианте реализации настоящего изобретения предложенный гибридный фотоэлектрический преобразователь состоит из последовательно нанесенных слоев: прозрачный субстрат, прозрачный проводящий слой, слой n-типа гидрогенизированного аморфного кремния, слой i-типа гидрогенизированного аморфного кремния, слой композитной пленки, состоящей из ОСУНТ и поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS).In one particular embodiment of the present invention, the proposed hybrid photoelectric converter consists of successively applied layers: a transparent substrate, a transparent conductive layer, an n-type hydrogenated amorphous silicon layer, an i-type hydrogenated amorphous silicon layer, a composite film layer consisting of single walled carbon nanostructures and poly ( 3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrene sulfonate) (PEDOT: PSS).
В другом частном варианте реализации настоящего изобретения предложенный гибридный фотоэлектрический преобразователь дополнительно содержит слой полиметилметакрилата (ПММА).In another private implementation of the present invention, the proposed hybrid photoelectric converter further comprises a layer of polymethyl methacrylate (PMMA).
В настоящем изобретении термин гибридный фотоэлектрический преобразователь также относится к гибридному солнечному элементу (ГСЭ) и гибридному фотогальваническому элементу. Указанные термины в настоящем документе используются как взаимозаменяемые.In the present invention, the term hybrid photoelectric converter also refers to a hybrid solar cell (HSS) and a hybrid photovoltaic cell. These terms are used interchangeably herein.
В одном частном варианте реализации настоящего изобретения предложен тонкопленочный гибридный фотоэлектрический преобразователь, имеющий n-i-p конфигурацию, состоящую из:In one particular embodiment, the implementation of the present invention proposed a thin-film hybrid photoelectric Converter having an n-i-p configuration consisting of:
- слоя n-типа проводимости;- layer of n-type conductivity;
- слоя i-типа проводимости;- layer of i-type conductivity;
- слоя р-типа проводимости, содержащего однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) и полимер, обладающий дырочной проводимостью.- a layer of p-type conductivity containing single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and a polymer with hole conductivity.
В другом частном варианте реализации настоящего изобретения слой n-типа проводимости представляет собой слой гидрогенизированного аморфного кремния, обладающим n-типом проводимости, в частности, слой гидрогенизированного аморфного кремния, допированный фосфором.In another private implementation of the present invention, the n-type conductivity layer is a layer of hydrogenated amorphous silicon, having n-type conductivity, in particular, a layer of hydrogenated amorphous silicon doped with phosphorus.
В другом частном варианте реализации настоящего изобретения слой i-типа проводимости представляет собой слой нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния, обладающий собственной проводимостью.In another private implementation of the present invention, the i-type layer of conductivity is a layer of undoped hydrogenated amorphous silicon, which has its own conductivity.
В другом варианте реализации настоящего изобретения полимер, обладающий дырочной проводимостью, представляет собой, но не ограничивается следующими, PEDOT:PSS, Р3НТ:РСВМ, Р3ОТ, PCDTBT:PCBM, спиро-OMeTAD.In another embodiment of the present invention, a hole-conducting polymer is, but is not limited to the following, PEDOT: PSS, P3HT: PCBM, P3OT, PCDTBT: PCBM, spiro-OMeTAD.
В другом частном варианте реализации настоящего изобретения предложен тонкопленочный гибридный фотоэлектрический преобразователь, дополнительно включающий антиотражающий слой над слоем р-типа проводимости.In another particular embodiment of the present invention, a thin-film hybrid photoelectric converter is proposed, further comprising an anti-reflective layer over a p-type conductivity layer.
В другом варианте реализации настоящего изобретения антиотражающий слой представляет собой слой полиметилметакрилата (ПММА).In another embodiment of the present invention, the antireflection layer is a layer of polymethyl methacrylate (PMMA).
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения указанная n-i-p конфигурация нанесена на прозрачную подложку, покрытую проводящим слоем.In yet another embodiment of the present invention, said n-i-p configuration is applied on a transparent substrate coated with a conductive layer.
В другом варианте реализации настоящего изобретения прозрачная подложка представляет собой стеклянную подложку.In another embodiment of the present invention, the transparent substrate is a glass substrate.
В другом варианте реализации настоящего изобретения прозрачная подложка представляет собой полимерную гибкую подложку.In another embodiment of the present invention, the transparent substrate is a polymeric flexible substrate.
В другом варианте реализации настоящего изобретения проводящий слой представляет собой, но не ограничивается следующим: оксид цинка, легированный алюминием, ZnO+Al (AZO), оксид индия, легированный оловом, In2O3+Sn (ITO).In another embodiment of the present invention, the conductive layer is, but is not limited to: zinc oxide doped with aluminum, ZnO + Al (AZO), indium oxide doped with tin, In 2 O 3 + Sn (ITO).
В другом варианте реализации настоящего изобретения слой n-типа составляет от примерно 10 до примерно 60 нм, предпочтительно от примерно 20 до примерно 40 нм, более предпочтительно примерно 30 нм.In another embodiment of the present invention, the n-type layer is from about 10 to about 60 nm, preferably from about 20 to about 40 nm, more preferably about 30 nm.
В другом варианте реализации настоящего изобретения слой i-типа составляет от примерно 150 до примерно 500 нм, предпочтительно от примерно 250 до примерно 350 нм, более предпочтительно примерно 300 нм.In another embodiment of the present invention, an i-type layer is from about 150 to about 500 nm, preferably from about 250 to about 350 nm, more preferably about 300 nm.
В другом варианте реализации настоящего изобретения слой р-типа проводимости составляет от примерно 55 до примерно 85 нм, предпочтительно от примерно 65 до примерно 75 нм, более предпочтительно примерно 70 нм, причем однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) составляют от примерно 10 нм до примерно 30 нм, предпочтительно от примерно 15 до примерно 25 нм, более предпочтительно примерно 19 нм.In another embodiment of the present invention, the p-type conductivity layer is from about 55 to about 85 nm, preferably from about 65 to about 75 nm, more preferably about 70 nm, and single-walled carbon nanotubes (SWCNT) are from about 10 nm to about 30 nm, preferably from about 15 to about 25 nm, more preferably about 19 nm.
В другом варианте реализации настоящего изобретения антиотражающий слой составляет от примерно 200 до примерно 400 нм, предпочтительно от примерно 250 до примерно 350 нм, более предпочтительно примерно 300 нм.In another embodiment of the present invention, the antireflection layer is from about 200 to about 400 nm, preferably from about 250 to about 350 nm, more preferably about 300 nm.
В другом варианте реализации настоящего изобретения предложенный гибридный фотоэлектрический преобразователь является двусторонним.In another embodiment of the present invention, the proposed hybrid photoelectric converter is two-sided.
В другом варианте реализации настоящего изобретения предложен гибридный фотоэлектрический преобразователь, имеющий n-i-p конфигурацию и содержащий:In another embodiment of the present invention, a hybrid photoelectric converter is provided having an n-i-p configuration and comprising:
- прозрачную подложку;- transparent substrate;
- проводящий прозрачный слой;- conductive transparent layer;
- слой гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) n-типа проводимости;- a layer of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) of n-type conductivity;
- слой a-Si:H i-типа проводимости;- a-Si: H layer of i-type conductivity;
слой р-типа проводимости, содержащий однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) и полимер, обладающий дырочной проводимостью.a p-type conductivity layer containing single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and a polymer with hole conductivity.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения указанная n-i-p конфигурация нанесена на металл.In another embodiment of the present invention, said n-i-p configuration is applied to the metal.
В другом варианте реализации настоящего изобретения металл представляет собой, но не ограничивается следующими, Mo, Ni, Nb, Al-Ni.In another embodiment of the present invention, the metal is, but is not limited to, Mo, Ni, Nb, Al-Ni.
В другом варианте реализации настоящего изобретения предложенный гибридный фотоэлектрический преобразователь является односторонним.In another embodiment of the present invention, the proposed hybrid photoelectric converter is one-sided.
В частном варианте реализации настоящее изобретение относится к способу изготовления фоточувствительной гетерогенной структуры, включающий:In the private implementation of the present invention relates to a method of manufacturing a photosensitive heterogeneous structure, including:
a) обеспечение слоя слой n-типа проводимости;a) providing a layer of n-type conductivity layer;
b) нанесение на слой n-типа проводимости слоя однослойных углеродных нанотрубок;b) applying a layer of single-walled carbon nanotubes to the n-type layer;
c) нанесение на слой однослойных углеродных нанотрубок слоя полимера, обладающего дырочной проводимостью.c) deposition on the layer of single-walled carbon nanotubes a layer of polymer with hole conductivity.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения предложен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя, включающийIn another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a photoelectric converter is proposed, comprising
a) осаждение оксида цинка, легированного алюминием, на подложку с помощью распыления при постоянном токе;a) deposition of zinc oxide doped with aluminum on a substrate by spraying at a constant current;
b) нанесение слоя тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремния n-типа проводимости, с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы;b) applying a layer of thin film of hydrogenated n-type amorphous silicon, using plasma-chemical deposition from the gas phase;
c) нанесение слоя тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремния i-типа проводимости, с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы;c) applying a layer of a thin film of hydrogenated amorphous silicon of i-type conductivity, using plasma-chemical deposition from the gas phase;
d) травление щелочью обоих слоев кремния до локального достижения оксида цинка, легированного алюминием;d) alkali etching of both silicon layers to local achievement of zinc oxide doped with aluminum;
e) нанесение в сухом виде однослойных углеродных нанотрубок на предварительно обработанную HF поверхность слоя i-типа в условиях окружающей среды;e) dry deposition of single-walled carbon nanotubes on the pre-treated HF surface of the i-type layer under ambient conditions;
f) нанесение по каплям изопропанола с последующим его испарением;f) applying isopropanol dropwise followed by evaporation;
g) нанесение поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфоната (PEDOT:PSS) путем осаждения полимера из раствора.g) applying poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrene sulfonate (PEDOT: PSS) by precipitating the polymer from the solution.
В другом варианте реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает нанесение слоя полиметилметакрилата путем его осаждения из раствора.In another embodiment of the present invention, the method further comprises applying a layer of polymethyl methacrylate by precipitating it from solution.
Далее представлено описание фигур.The following is a description of the figures.
Фигура 1. (а) Стадии изготовления гибридного солнечного элемента (ГСЭ): (i) Полученная структура с a-Si:H поглотителем; (ii) Химическое локальное травление а-Si:H для обеспечения тыльного контакта АОЦ с KOH; (iii) обработка паром HF поверхности a-Si:H в течение 140 секунд для травления исходного оксида; (iv) Процедура сухого переноса ОСУНТ на обработанную HF поверхность a-Si:H в условиях окружающей среды; (v) нанесение по каплям раствора PEDOT:PSS с последующим удалением растворителя, в условиях окружающей среды; (vi) Окаймление активной поверхности ГСЭ с помощью серебра (серебряной пасты) и конечная структура устройства ГСЭ. (b) Изготовленный ГСЭ на основе ОСУНТ/a-Si:H.Figure 1. (a) Stages of manufacturing a hybrid solar cell (HSS): (i) The resulting structure with a-Si: H absorber; (ii) Chemical local etching of a-Si: H to ensure the back contact of AOC with KOH; (iii) steam treatment of the a-Si: H surface HF for 140 seconds to etch the starting oxide; (iv) Procedure for dry transfer of single walled carbon nanotubes to a-Si: H treated HF surface at ambient conditions; (v) dropwise applying a PEDOT: PSS solution followed by removal of the solvent, under ambient conditions; (vi) The bordering of the active surface of the HSE with silver (silver paste) and the final structure of the HSE device. (b) Fabricated HSE based on SWCNT / a-Si: H.
Фигура 2. Полученное с помощью SEM морфологическое изображение (а) беспорядочно ориентированных пленок из ОСУНТ; (b) равномерно покрытой композитной пленки (пленки PEDOT:PSS-ОСУНТ).Figure 2. Obtained using SEM morphological image (a) randomly oriented films of SWCNT; (b) a uniformly coated composite film (PEDOT: PSS-SWCNT films).
Фигура 3. Зависимость толщины и поверхностного сопротивления пленки из ОСУНТ от коэффициента пропускания при 550 нм.Figure 3. The dependence of the thickness and surface resistance of the film of SWCNT from the transmittance at 550 nm.
Фигура 4. Полученное с помощью SEM изображение поперечного сечения ГСЭ на основе ОСУНТ/a-Si.Figure 4. Obtained using SEM image of the cross-section HSE on the basis of SWCNT / a-Si.
Фигура 5. Характеристики ГСЭ, изготовленных с применением пленок из ОСУНТ разной толщины: (а) вольтамперные кривые фототока и темнового тока для УНТ20; (b) спектры ВКЭ.Figure 5. Characteristics of HSE, made with the use of films of SWCNT of different thickness: (a) current-voltage curves of photocurrent and dark current for CNT20; (b) TBEV spectra.
Фигура. 6. Характеристики ГСЭ, изготовленных с применением образца УНТ20: (а) сравнение вольтамперограм без ПММА и с ПММА с точки зрения фототока и темнового тока; (b) сравнение спектров ВКЭ без ПММА и с ПММАFigure. 6. Characteristics of HSE, manufactured using the sample CNT20: (a) comparison of voltammogram without PMMA and with PMMA from the point of view of photocurrent and dark current; (b) comparison of the spectra of TBEV without PMMA and with PMMA
Фигура 7. Спектры отражения нелегированного a-Si:H, ГСЭ без ПММА, ГСЭ с ПММА, a-Si:H с PEDOT:PSS и a-Si:H с пленкой из ОСУНТ.Figure 7. The reflection spectra of undoped a-Si: H, HSE without PMMA, HSE with PMMA, a-Si: H with PEDOT: PSS and a-Si: H with a film on single walled carbon nanotubes.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬEXPERIMENTAL PART
В настоящем изобретении использовали ОСУНТ, полученные аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), подробно описанным в A.G. Nasibulin, A. Kaskela, K. Mustonen, A.S. Anisimov, V. Ruiz, S. Kivisto, S. Rackauskas, M.Y. Timmermans, M. Pudas, В. Aitchison, M. Kauppinen, D.P. Brown, O.G. Okhotnikov and E.I. Kauppinen. ACS Nano 5, 3214-3221 (2011) и A. Moisala, A.G. Nasibulin, D.P. Brown, H. Jiang, L. Khriachtchev and E.I. Kauppinen. Chem. Eng. Sci. 61, 4393-4402 (2006). Указанные ОСУНТ со средним диаметром около 2 нм (Y. Tian, М. Timmermans, S. Kivisto, A. Nasibulin, Z. Zhu, H. Jiang, О. Okhotnikov and E. Kauppinen. Nano Res. 4, 807-815 (2011)) представляют собой беспорядочно ориентированную сеть, состоящую из смеси металлических и полупроводниковых трубок с р-типом проводимости в условиях окружающей среды (P.P. Pal, Т. Larionova, I.V. Anoshkin, H. Jiang, M. Nisula, A.A. Goryunkov, O.V. Tolochko, M. Karppinen, E.I. Kauppinen and A.G. Nasibulin. J. Phys. Chem. С 119 (49), 27821-27828 (2015)). Их толщину можно с легкостью регулировать с помощью времени собирания на мембранном фильтре из нитроцеллюлозы на выходе из ректора (A. Moisala, A.G. Nasibulin, D.P. Brown, Н. Jiang, L. Khriachtchev and Е.I. Kauppinen. Chem. Eng. Sci. 61, 4393-4402 (2006)). Указанные ОСУНТ, полученные непосредственно после синтеза применяли согласно настоящему изобретению без дополнительной обработки.In the present invention, SWCNTs obtained by an aerosol method of chemical vapor deposition (CVD), described in detail in A.G. Nasibulin, A. Kaskela, K. Mustonen, A.S. Anisimov, V. Ruiz, S. Kivisto, S. Rackauskas, M.Y. Timmermans, M. Pudas, V. Aitchison, M. Kauppinen, D.P. Brown, O.G. Okhotnikov and E.I. Kauppinen. ACS Nano 5, 3214-3221 (2011) and A. Moisala, A.G. Nasibulin, D.P. Brown, H. Jiang, L. Khriachtchev and E.I. Kauppinen. Chem. Eng. Sci. 61, 4393-4402 (2006). The indicated SWCNTs with an average diameter of about 2 nm (Y. Tian, M. Timmermans, S. Kivisto, A. Nasibulin, Z. Zhu, H. Jiang, O. Okhotnikov and E. Kauppinen. Nano Res. 4, 807-815 ( 2011)) are a randomly oriented network consisting of a mixture of metal and semiconductor tubes with p-type conductivity in environmental conditions (PP Pal, T. Larionova, IV Anoshkin, H. Jiang, M. Nisula, AA Goryunkov, OV Tolochko, M. Karppinen, EI Kauppinen and AG Nasibulin. J. Phys. Chem. C 119 (49), 27821-27828 (2015)). Their thickness can be easily adjusted using the collection time on a nitrocellulose membrane filter at the exit of the rector (A. Moisala, AG Nasibulin, DP Brown, N. Jiang, L. Khriachtchev and E.I. Kauppinen. Chem. Eng. Sci. 61, 4393-4402 (2006)). These SWCNTs obtained directly after the synthesis were used according to the present invention without additional processing.
Слой электропроводящего полимера PEDOT:PSS для применения согласно настоящему изобретению получали путем осаждения его из раствора из предварительно смешанной имеющейся в продаже 5 мл водной суспензии PEDOT:PSS (1,3 масс. % Sigma-Alfrich) с 120 мкл глицерина, 250 мкл N-метилпирролидона и 6,25 мл изопропанола (ИПС).A layer of electrically conductive polymer PEDOT: PSS for use according to the present invention was obtained by precipitating it from a solution of a pre-mixed commercially available 5 ml of an aqueous suspension of PEDOT: PSS (1.3 wt.% Sigma-Alfrich) with 120 μl of glycerol, 250 μl of N- methylpyrrolidone and 6.25 ml of isopropanol (IPA).
Пример способа получения гибридного фотоэлетрического преобразователя (гибридного солнечного элемента).An example of a method for producing a hybrid photoelectric transducer (hybrid solar cell).
На фиг. 1а схематически продемонстрирован способ изготовления гибридного фотоэлектричекого преобразователя. Первые слои были нанесены на стекло Corning Eagle XG. Сначала для получения двухстороннего фотоэлектрического преобразователя на указанное стекло в качестве прозрачного заднего контакта наносили оксид цинка, легированный алюминием, с помощью распыления при постоянном токе. Затем, наращивали слои α-Si:H n-типа проводимости (30 нм) и i-типа проводимости (300 нм) с помощью плазмохимического парофазного осаждения, описанного в документе [
Задний (тыльный) контакт оксида цинка, легированного алюминием, локально достигали с помощью мокрого химического травления двух слоев аморфного кремния (330 нм) с помощью 6 М раствора KOH. Перед травлением образцы нагревали до 160°С с помощью нагревательного устройства на воздухе в течение 20 минут. Небольшой объем, равный 1 мкл раствора KOH наносили по каплям на край нагретых образцов структуры α-Si:H. При этом немедленно протекала химическая реакция, через 5 секунд образцы убирали с нагревательного устройства и споласкивали деионизированной водой. Образцы продували азотом и затем нагревали до 70°С на воздухе в течение 5 минут для удаления воды. Измеренное удельное сопротивление оксида цинка, легированного алюминием, составляло 16 Ом⋅см. Полная структура ОСУНТ/α-Si:H фотоэлектрического преобразователя представлена на фиг. 4. На СЭМ изображения поперечного сечения гибридного фотоэлектрического преобразователя четко видны индивидуальные слои оксида цинка, легированного алюминием, n:α-Si:H (n-тип проводимости), i:α-Si:H (i-тип проводимости(собственный поглощающий слой)) и слой, состоящий из ОСУНТ и PEDOT:PSS (р-тип проводимости), расположенные один над другим, которые образуют конфигурацию, имеющую n-i-p структуру.The rear (rear) contact of zinc oxide doped with aluminum was locally achieved by wet chemical etching of two layers of amorphous silicon (330 nm) with a 6 M KOH solution. Before etching, the samples were heated to 160 ° C using a heating device in air for 20 minutes. A small volume of 1 µl of KOH solution was applied dropwise to the edge of the heated samples of the α-Si: H structure. At the same time, a chemical reaction immediately proceeded, after 5 seconds the samples were removed from the heating device and rinsed with deionized water. Samples were purged with nitrogen and then heated to 70 ° C in air for 5 minutes to remove water. The measured resistivity of zinc oxide doped with aluminum was 16 Ω⋅cm. The full structure of the single walled carbon nanotubes / α-Si: H photoelectric converter is shown in FIG. 4. SEM images of the cross section of the hybrid photoelectric converter clearly show individual layers of zinc oxide doped with aluminum, n: α-Si: H (n-type conductivity), i: α-Si: H (i-type conductivity (own absorbing layer )) and a layer consisting of SWCNT and PEDOT: PSS (p-type conductivity), located one above the other, which form a configuration that has a nip structure.
В другом примере получения гибридного фотоэлектрического преобразователя, способ, представленный на фиг. 1 был модифицирован путем добавления стадии нанесения слоя полиметилметакрилата (ПММА).In another example of producing a hybrid photoelectric converter, the method shown in FIG. 1 was modified by adding a step of applying a layer of polymethyl methacrylate (PMMA).
В частности, ПММА осаждали из раствора с помощью нанесения по каплям раствора ПММА и последующим испарением растворителя. Раствор ПММА с концентрацией 4 масс. % получали путем растворения ПММА (молекулярный вес 950000, Sigma-Aldrich) в анизоле (99,7%, Sigma-Aldrich)In particular, PMMA was precipitated from solution by applying a solution of PMMA dropwise and then evaporating the solvent. A solution of PMMA with a concentration of 4 wt. % obtained by dissolving PMMA (molecular weight 950,000, Sigma-Aldrich) in anisole (99.7%, Sigma-Aldrich)
Таким образом, 2 мкл раствора ПММА наносили по каплям на полученный гибридный фотоэлектрический преобразователь, поверх слоя, содержащего ОСУНТ и PEDOT:PSS, так что вся активная поверхность фотоэлектрического преобразователя была однородно покрыта. Затем полученный образец помещали на нагревательное устройство, нагретое до температуры 90°С, и выдерживали в течение 20 минут для удаления растворителя.Thus, 2 μl of the PMMA solution was applied dropwise onto the resulting hybrid photoelectric converter, on top of a layer containing SWCNT and PEDOT: PSS, so that the entire active surface of the photoelectric converter was uniformly coated. Then the obtained sample was placed on a heating device heated to a temperature of 90 ° C, and held for 20 minutes to remove the solvent.
Характеристики, полученные для ОСУНТ/α-Si:H фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретениюCharacteristics obtained for SWCNT / α-Si: H photoelectric converter according to the present invention
Для исследования работы выхода образцов использовали Кельвин-зондовую силовую микроскопию (KPFM) от Asylum Research - Cypher ES. Использовали зонды BudgetSensors ElectriMulti75-G, имеющие коэффициент жесткости 1,43 Н/м и первую резонансную частоту, составляющую 62,081 кГц. Измерения проводили в перчаточной камере в атмосфере аргона с помощью двухходовой Кельвин-зондовой силовой микроскопии с амплитудной модуляцией со второй высотой подъема, составляющей 35 нм. Пиролитический графит ZYA качества с высокоупорядоченной ориентацией использовали для калибровки до реального измерения.Kelvin probe force microscopy (KPFM) from Asylum Research - Cypher ES was used to study the work function of the samples. We used BudgetSensors ElectriMulti75-G probes with a stiffness coefficient of 1.43 N / m and a first resonant frequency of 62.081 kHz. The measurements were carried out in a glove box in an argon atmosphere using two-way Kelvin probe microscopy with amplitude modulation with a second lifting height of 35 nm. Quality pyrolytic graphite ZYA with a highly ordered orientation was used for calibration to the actual measurement.
Поверхностное сопротивление (Rs) и пропускающую способность (Т) использовали для электрооптической характеристики пленок ОСУНТ. Слоевое сопротивление измеряли с помощью JANDEL RM3000 с четырьмя зондами. Пропускающую способность измеряли с помощью спектрометра Perkin Elmer Lambda 1050 UV-Vis-NIR в широком диапазоне длин волн от 150 до 3200 нм, на который здесь и далее обычно ссылаются как 550 нм. Вклад подложки считали фоном и вычитали из значения сигнала. Поскольку поглощение (А) является линейной функцией толщины пленки ОСУНТ, последнюю можно рассчитать по формуле Th (нм) - 417× А550 (A.L. Gorkina et al 2016 Transparent and conductive hybrid graphene/carbon nanotube films Carbon 100, pp 501-507). Толщину (Th) и среднеквардратичное значение шероховатости подтверждены с помощью атомно-силовой микроскопии (Cypher ES - Asylum Research).Surface resistance (R s ) and transmittance (T) were used for the electro-optical characteristics of the SWCNT films. Layer resistance was measured using a JANDEL RM3000 with four probes. The transmittance was measured using a Perkin Elmer Lambda 1050 UV-Vis-NIR spectrometer in a wide range of wavelengths from 150 to 3200 nm, which is hereinafter usually referred to as 550 nm. The contribution of the substrate was considered the background and subtracted from the signal value. Since the absorption (A) is a linear function of the film thickness of the single walled carbon nanotube, the latter can be calculated using the formula T h (nm) - 417 × A 550 (AL Gorkina et al 2016 Transparent and conductive
Характеристики гибридного фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретению измеряли при излучении с коэффициентом воздушной массы 1,5 (AM 1.5) и интенсивностью 100 мВт/см2 при 25°С с использованием имитатора солнечного излучения (Newport Corporation, Oriel Sol3A Class AAA). Вольт-амперные характеристики были получены с помощью источника/измерителя SMU (Keithley 2400). Внешнюю квантовую эффективность гибридного фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретению измеряли с помощью системы для измерения спектральной чувствительности (Bentham PVE300). Указанная система использует два источника: ксеноновый 75 ВТ (300-700 нм) и кварцево-галогенный 100 Вт (QTH) (700-1800 нм) последовательно соединенные с монохроматором, имеющим щель на выходе, составляющую 1,85×1,85 мм2, обеспечивающую монохроматический пучок размером приблизительно 2×2 мм2, направленный на рабочую поверхность калиброванного фотоэлектрического преобразователя. Для корректировки сигнала ламп проводили калибровку анализатора спектра с помощью образца микрокристаллического кремния. Регистрировали стабильность гибридного фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретению при выдерживании его под прямым солнечным излучением в течение 1000 часов.The characteristics of the hybrid photoelectric converter according to the present invention were measured with radiation having an air mass ratio of 1.5 (AM 1.5) and an intensity of 100 mW / cm 2 at 25 ° C using a solar simulator (Newport Corporation, Oriel Sol3A Class AAA). Volt-ampere characteristics were obtained using an SMU source / meter (Keithley 2400). The external quantum efficiency of the hybrid photoelectric converter according to the present invention was measured using a system for measuring spectral sensitivity (Bentham PVE300). This system uses two sources: xenon 75 W (300-700 nm) and quartz-halogen 100 W (QTH) (700-1800 nm) connected in series with the monochromator, which has an output gap of 1.85 × 1.85 mm 2 providing a monochromatic beam of approximately 2 × 2 mm 2 in size, directed to the working surface of a calibrated photoelectric converter. To correct the lamp signal, a spectrum analyzer was calibrated using a sample of microcrystalline silicon. The stability of the hybrid photoelectric converter according to the present invention was recorded while it was kept under direct solar radiation for 1000 hours.
Для исследования морфологии поперечного сечения ОСУНТ и ОУНТ/ α-Si:H гибридного фотоэлектронного преобразователя использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) (FEI Helios Nanolab 660) с максимальным ускоряющим напряжением 30 кВ.To study the morphology of the SWCNT and SWCNT / α-Si: H cross section of a hybrid photoelectric converter, scanning electron microscopy (SEM) (FEI Helios Nanolab 660) with a maximum accelerating voltage of 30 kV was used.
Измерения коэффициента диффузного отражения проводили на приборе Bentham PVE300 в видимом диапазоне от 300 до 900 нм.Measurements of the diffuse reflectance were performed on a Bentham PVE300 instrument in the visible range from 300 to 900 nm.
Толщину слоя ПММА, равную 300 нм, определяли на основании СЭМ изображения поперечного сечения гибридного фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретению.The thickness of the PMMA layer equal to 300 nm was determined based on the SEM image of the cross section of the hybrid photoelectric converter according to the present invention.
На фиг. 5а и 6а и в табл. 3 представлены вольт-амперные характеристики для гибридного фотоэлектрического преобразователя согласно настоящему изобретению без слоя ПММА и со слоем ПММА.FIG. 5a and 6a and table. 3 shows the current-voltage characteristics for a hybrid photoelectric converter according to the present invention without a PMMA layer and with a PMMA layer.
Оптико-электрические свойства пленок из ОСУНТOptical-electrical properties of films of single walled carbon nanotubes
ОСУНТ (однослойные углеродные нанотрубки) выглядят как однородная пористая неупорядоченная сетка из пучков, связанных друг с другом, как показано на фигуре 2а. Полученное методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) морфологическое изображение PEDOT:PSS-ОСУНТ (композитной пленки) (PEDOT:PSS - поли(3,4-этилендиокситиофен):полистирол сульфонат), показанное на фигуре 2b, позволяет сетке из ОСУНТ сохранять ее уникальные электрические и механические свойства. ОСУНТ с разными значениями коэффициента пропускания были исследованы с точки зрения толщины и поверхностного сопротивления. Соответственно, рассчитанная толщина пленки с коэффициентом пропускания T=90% составляла примерно 18 нм, а измеренная методом атомно-силовой микроскопии (AFM) толщина составляла примерно 19±1 нм. Указанные пленки были перенесены в сухом состоянии [A.G. Nasibulin et al. 2011, Free-Standing Single-Walled Carbon Nanotube Films ACS Nano 5, pp 3214-3221] на очищенное предметное микростекло (1×1 см2) для измерения поверхностного сопротивления и толщины. На фиг. 3 показана зависимость толщины и поверхностного сопротивления от коэффициента пропускания при 550 нм. При увеличении коэффициента пропускания от 44,4% до 93,5% поверхностное сопротивление увеличилось от 45±2 до 360±2
Для лучшего понимания причины снижения поверхностного сопротивления ОСУНТ с PEDOT:PSS авторы настоящего изобретения использовали Кельвин-зондовую силовую микроскопию (KPFM). Три образца пленок из ОСУНТ разной толщины (УНТ10, УНТ20 и УНТ100) были измерены со слоем PEDOT:PSS и без слоя PEDOT:PSS. Проведя отдельное измерение, авторы настоящего изобретения также исследовали отдельно саму пленку PEDOT:PSS. Значения работы выхода рассчитывали из KPFM измерений поверхностного потенциала для ОСУНТ (4,50±0,05 эВ), композитной пленки (4,95±0,05 эВ) и PEDOT:PSS (5,30±0,05 эВ).For a better understanding of the reason for reducing the surface resistance of single wallet cells with PEDOT: PSS, the authors of the present invention used Kelvin probe force microscopy (KPFM). Three samples of SWCNT films of different thickness (CNT10, CNT20 and CNT100) were measured with a PEDOT layer: PSS and without a PEDOT: PSS layer. After a separate measurement, the authors of the present invention also investigated separately the PEDOT: PSS film itself. Work exit values were calculated from KPFM surface potential measurements for SWCNT (4.50 ± 0.05 eV), composite film (4.95 ± 0.05 eV) and PEDOT: PSS (5.30 ± 0.05 eV).
Уменьшение поверхностного сопротивления композитной пленки и увеличение ее работы выхода по сравнению с пленкой из ОСУНТ можно объяснить тем фактом, что PEDOT:PSS заполнил микропоры в пленке и, следовательно, легировал ОСУНТ. Как видно из фигуры 2b, поверхность композитной пленки является плоской и сетку, состоящую из пучков ОСУНТ, невозможно четко увидеть с верхней части такой композитной пленки. Вышеуказанное подтверждено AFM измерениями шероховатости поверхности, в которых пленки из ОСУНТ имели среднеквадратичную (RMS) шероховатость 20 нм, тогда как RMS шероховатость композитной пленки составляла 7 нм. Влияние легирования ОСУНТ можно четко видеть, поскольку работа выхода композитной пленки выше работы выхода ОСУНТ. Хотя PEDOT:PSS является менее проводящим и характеризуется низкой подвижностью носителей, непрерывная сетка из ОСУНТ служит в качестве мостика для переноса носителей благодаря своей высокой подвижности носителей. Кроме того, согласно наблюдениям суммарный эффект повышения проводимости является более выраженным в случае более тонких пленок из ОСУНТ с PEDOT:PSS, вероятно, вследствие лучшего распределения проводящего полимера в сетке из пучков ОСУНТ. Это приводит к получению однородного покрытия вдоль толщины более тонких пленок из ОСУНТ.The decrease in the surface resistance of the composite film and the increase in its work function as compared to the film of SWCNT can be explained by the fact that PEDOT: PSS filled the micropores in the film and, therefore, alloyed the SWCNT. As can be seen from figure 2b, the surface of the composite film is flat and the grid consisting of the bundles of SWCNT cannot be clearly seen from the top of such a composite film. The above is confirmed by AFM measurements of surface roughness, in which the SWCNT films had a root-mean-square (RMS) roughness of 20 nm, while the RMS roughness of the composite film was 7 nm. The effect of doping SWCNT can be clearly seen, since the work function of the composite film is higher than the work function of the SWCNT. Although PEDOT: PSS is less conductive and is characterized by low carrier mobility, the continuous mesh of SWCNT serves as a bridge for carrying carriers due to its high carrier mobility. In addition, according to observations, the overall effect of increasing conductivity is more pronounced in the case of thinner SWCNT films with PEDOT: PSS, probably due to better distribution of the conductive polymer in the SWCNT beam. This results in a uniform coating along the thickness of thinner SWCNT films.
Гибридные фотоэлектрические преобразователи на основе OCYHT/a-Si:H полученные согласно настоящему изобретениюOCYHT / a-Si: H hybrid photoelectric converters obtained according to the present invention
Схематическое изображение структуры гибридного фотоэлектрического преобразователя на основе ОСУНТ/a-Si изготовленного согласно настоящему изобретению показано на фигуре 1b. На полученном с помощью SEM изображении поперечного сечения ГСЭ (фигура 4) четко видны отдельные слои тыльного контакта (АОЦ (легированный алюминием оксид цинка)), n:a-Si:H (n-тип) (a-Si:H - тонкопленочный гидрогенизированный аморфный кремний), i:a-Si:H (собственный слой поглотителя(абсорбера)) и пленка из ОСУНТ с PEDOT:PSS (р-тип), уложенные один над другим с образованием nip структуры конфигурации подложки. На передней стороне ГСЭ не были изготовлены ни стандартный прозрачный проводящий слой, ни контактная решетка.A schematic representation of the structure of a SWCNT / a-Si hybrid photoelectric converter manufactured according to the present invention is shown in FIG. 1b. The SEM cross-sectional image of the HSE (FIG. 4) clearly shows the individual layers of the back contact (AOC (aluminum doped zinc oxide)), n: a-Si: H (n-type) (a-Si: H - thin-film hydrogenated amorphous silicon), i: a-Si: H (own layer of the absorber (absorber)) and a SWCNT film with PEDOT: PSS (p-type), stacked one above the other to form a nip substrate configuration structure. Neither a standard transparent conductive layer nor a contact grating were made on the front side of the HSE.
Вольтамперные характеристики ГСЭ, изготовленных с применением ОСУНТ разной толщины (образцы обозначены как УНТ10, УНТ20, УНТ40, УНТ60, УНТ80 и УНТ100), показаны на фигуре 5а и приведены в таблице 2.Volt-ampere characteristics of HSE, made with the use of single-walled carbon nanotubes (CNT) of different thickness (the samples are designated as CNT10, CNT20, CNT40, CNT60, CNT80 and CNT100) are shown in figure 5a and are shown in Table 2.
Для УНТ20 авторы настоящего изобретения получили эффективность преобразования энергии (РСЕ) η=2,7±0,3% с коэффициентом заполнения (FF) 41,5±3%. Как показано на фигуре 5а, было обнаружено, что толщина ОСУНТ, составляющая 19±1 нм в комбинации с PEDOT:PSS (50±5 нм) обеспечивает наибольшую плотность тока. Авторы настоящего изобретения измерили плотность тока короткого замыкания (Jsc), составляющую 7,9±0,1 мА/см2, и напряжение разомкнутой цепи (Voc), составляющее 0,82±0,04 В. При анализе кривой оптически неактивного состояния, показанной на фигуре 5а, авторы настоящего изобретения получили плотность обратного тока насыщения J0=6,05±0,01×10-4 мА/см2, шунтовое сопротивление Rp=106,0±0,5 МОм/см2, последовательное сопротивление Rs=30±2 кОм/см2 и фактор идеальности диода n=1,10±0,05. Высокое значение шунтового сопротивления вместе с очень низким значением плотности обратного тока насыщения и последовательного сопротивления привели к высокой эффективности превращения энергии (РСЕ) ГСЭ на основе ОСУНТ/a-Si:H. При проведении указанных измерений облучение светом осуществляли со стороны ОСУНТ. Кроме того, при анализе вольтамперных характеристик, приведенных в таблице 2, авторы настоящего изобретения обнаружили, что плотность тока увеличивалась от 3,90±0,02 мА/см2 для УНТ10 до 7,9±0,1 мА/см2 для УНТ20; затем она уменьшалась для всех последующих устройств ГСЭ с более толстыми пленками из ОСУНТ толщиной более 19 нм. Низкую плотность тока для УНТ10 можно объяснить высоким сопротивлением ОСУНТ и PEDOT:PSS. Дальнейшее увеличение толщины пленки из ОСУНТ более 19 нм при применении PEDOT:PSS привело к снижению плотности тока, вызванному уменьшением коэффициента пропускания пленок из ОСУНТ. Следует учитывать, что обратное отражение и собирание носителей на тыльной поверхности были обеспечены только слоем АОЦ, а не посредством тыльного металлического контакта. Это значительно ухудшало эффективность элемента. Кроме того, на фигуре 5b показаны экспериментальные спектры внешней квантовой эффективности (ВКЭ), соответствующие разным значениям толщины ОСУНТ в ГСЭ. Можно увидеть, что значение ВКЭ уменьшалось с увеличением толщины пленок из ОСУНТ, при этом максимальное значение ВКЭ, составляющее 42% при 514 нм, было получено для УНТ20, проявляющей сильный синий оптический отклик. Это может быть вызвано более низким поглощением композитной пленки (р-слоя) и пониженной рекомбинацией на поверхности раздела a-Si:H/ОСУНТ по сравнению с любой другой толщиной пленки из ОСУНТ. Плотность тока для пленки из УНТ20, рассчитанная из ВКЭ с помощью следующего уравнения [D. Abou-Ras, Т. Kirchartz, and U. Rau 2016 Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells, Vol 1, 2nd Edition (Wiley-VCH), pp. 55-66]:For CNT20, the authors of the present invention obtained an energy conversion efficiency (PEC) η = 2.7 ± 0.3% with a fill factor (FF) of 41.5 ± 3%. As shown in figure 5a, it was found that the thickness of the single walled carbon nanotubes of 19 ± 1 nm in combination with PEDOT: PSS (50 ± 5 nm) provides the highest current density. The authors of the present invention measured a short-circuit current density (J sc ) of 7.9 ± 0.1 mA / cm 2 and an open circuit voltage (V oc ) of 0.82 ± 0.04 V. When analyzing the optically inactive curve the condition shown in figure 5A, the authors of the present invention obtained the density of the reverse saturation current J 0 = 6.05 ± 0.01 × 10 -4 mA / cm 2 , shunt resistance R p = 106.0 ± 0.5 MΩ / cm 2 , series resistance R s = 30 ± 2 kΩ / cm 2 and diode ideality factor n = 1.10 ± 0.05. The high value of the shunt resistance together with a very low value of the density of the reverse saturation current and the series resistance resulted in a high efficiency of energy conversion (ESS) of the HSE based on the SWCNT / a-Si: H. When these measurements were carried out, the irradiation with light was carried out from the side of the SWCNT. In addition, when analyzing the current-voltage characteristics given in Table 2, the authors of the present invention found that the current density increased from 3.90 ± 0.02 mA / cm 2 for CNT10 to 7.9 ± 0.1 mA / cm 2 for CNT20 ; then it decreased for all subsequent HSE devices with thicker SWCNT films more than 19 nm thick. The low current density for CNT10 can be explained by the high resistance of SWCNT and PEDOT: PSS. A further increase in the thickness of the film from SWCNT to more than 19 nm with the use of PEDOT: PSS resulted in a decrease in the current density caused by a decrease in the transmittance of films from the SWCNT. It should be noted that the back reflection and collection of carriers on the back surface were provided only by the AOTs layer, and not by the back metal contact. This significantly impairs the element's performance. In addition, figure 5b shows the experimental spectra of external quantum efficiency (TBE), corresponding to different values of the thickness of SWCNT in the GSE. It can be seen that the value of TBEV decreased with an increase in the thickness of the films of SWCNT, while the maximum value of TBEV, 42% at 514 nm, was obtained for CNT20, exhibiting a strong blue optical response. This may be caused by lower absorption of the composite film (p-layer) and low recombination at the a-Si: H / SWCNT interface compared with any other SWCNT film thickness. The current density for the film from CNT20, calculated from the VIC using the following equation [D. Abou-Ras, T. Kirchartz, and U. Rau 2016 Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells,
при спектральном потоке фотонов в диапазоне от 300 до 800 нм составляющем 7,1±0,1 мА/см2. Значения плотности тока, полученные из вольтамперограммы и ВКЭ, практически совпадают. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что форма кривой ВКЭ не зависит от толщины слоя ОСУНТ. Для УНТ10, УНТ40, УНТ60 и УНТ80 ВКЭ резко уменьшается для длин волн, короче 350 нм, что указывает на сильную поверхностную рекомбинацию на поверхности раздела i:a-Si:H/ОСУНТ. Резкое падение ВКЭ для всех пленок из ОСУНТ с толщиной более 700 нм может быть связано с запрещенной энергетической зоной a-Si:H (1,7 эВ). Спектральное поведение напоминает солнечные элементы на основе a-Si:H с nip структурой, что указывает, что процесс фотогенерации протекает главным образом в i:a-Si:H.when the spectral photon flux in the range from 300 to 800 nm is 7.1 ± 0.1 mA / cm 2 . The values of current density obtained from the voltammogram and VIK, almost the same. In addition, the authors of the present invention have found that the shape of the curve of tickpocket irradiation does not depend on the thickness of the SWCNT layer. For CNT10, CNT40, CNT60, and CNT80, TBE is dramatically reduced for wavelengths shorter than 350 nm, which indicates strong surface recombination at the i: a-Si: H / SWCNT interface. A sharp drop in the TBE for all SWCNT films with a thickness of more than 700 nm can be associated with the a-Si: H energy gap (1.7 eV). The spectral behavior resembles a-Si: H solar cells with a nip structure, which indicates that the photogeneration process takes place mainly in i: a-Si: H.
Высокую плотность тока УНТ20 также можно объяснить собственным свойством барьера Шотки ОСУНТ, обусловленным наличием металлических и полупроводниковых трубок в ее сетке. Полупроводниковые ОСУНТ имеют работу выхода 4,5 эВ с запрещенной зоной 0,5 эВ и металлические ОСУНТ с нулевой запрещенной зоной имеют работу выхода почти 5,0 эВ. При получении композитной пленки с PEDOT:PSS сетку ОСУНТ легируют, что, тем самым увеличивает работу выхода полупроводниковых ОСУНТ. Вышеуказанное подтвердили KPFM измерениями композитной пленки с работой выхода 4,95 эВ, которая приближается к работе выхода металлических ОСУНТ. При приведении такой композитной пленки в контакт с i:a-Si:H (положение уровня Ферми 4,70 эВ), барьер Шотки уменьшается по всей поверхности раздела a-Si:H/ОСУНТ. Более того, при увеличении толщины пленки из ОСУНТ более 19 нм коэффициент пропускания уменьшается, что приводит к уменьшению поглощения и понижению количества фотогенерированных носителей в i:a-Si:H. Кроме того, при увеличении толщины пленки из ОСУНТ, полимер PEDOT:PSS распределяется вдоль толщины ОСУНТ неравномерно. Это, возможно, приводит к образованию двух центров рекомбинации на поверхностях раздела ОСУНТ/PEDOT:PSS С и ОСУНТ/а-Si:H. Таким образом, для УНТ40, УНТ60, УНТ80 и УНТ100 концентрация генерируемых носителей в виде дырок является более низкой. Следует отметить, что согласно подходу авторов настоящего изобретения оптимизированная композитная пленка не только увеличивает эффективную контактную площадь на a-Si, но также стимулирует образование дырок в PEDOT:PSS, которые переходят в связанную сетку из ОСУНТ вследствие более высокой подвижности носителей заряда в ОСУНТ, а также их одномерной оси. По сравнению с документами из уровня техники [М. Schriver, W. Regan, М. Loster and A. Zettl, 2010, Carbon nanostructure_aSi:H photovoltaic cells with high open-circuit voltage fabricated without dopants Solid State Commun. 150, pp. 561-563, S.D. Gobbo, P. Castrucci, M. Scarselli, L. Camilli, M.D. Crescenzi, L. Mariucci, A. Valletta, A. Minotti and G. Fortunato, 2011, Carbon nanotube semitransparent electrodes for amorphous silicon based photovoltaic devices Appl. Phys. Lett. 98, pp. 183113 и A.M. Funde et al. 2016, Carbon nanotube-amorphous silicon hybrid solar cell with improved conversion Efficiency Nanotechnology 27, pp. 185401], авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что использование суммарного эффекта ОСУНТ и ПЭДОТ:ПСС обеспечивает лучшие и более высокие вольтамперные характеристики ГСЭ. Вышеуказанное также является причиной того, что характеристики ГСЭ, полученных согласно настоящему изобретению, соответствуют последним достижениям науки.The high current density of the CNT20 can also be explained by the property of the Schottky SWCNT barrier caused by the presence of metal and semiconductor tubes in its grid. Semiconductor SWCNTs have a work function of 4.5 eV with a bandgap of 0.5 eV and metal SWCNTs with a zero bandgap have a work function of almost 5.0 eV. Upon receipt of the composite film with PEDOT: PSS, the SWCNT grid is doped, thereby increasing the work function of the semiconductor SWCNT. The above was confirmed by KPFM measurements of a composite film with a work function of 4.95 eV, which is close to the work function of metal SWCNTs. When such a composite film is brought into contact with i: a-Si: H (the position of the Fermi level is 4.70 eV), the Schottky barrier decreases over the entire a-Si: H / SWCNT interface. Moreover, with an increase in the film thickness from a single walled carbon nanotube to more than 19 nm, the transmittance decreases, which leads to a decrease in absorption and a decrease in the number of photogenerated carriers in i: a-Si: H. In addition, with an increase in the thickness of a single-walled carbon nanotube film, the PEDOT: PSS polymer is not evenly distributed along the single wallet carbon nanotube. This probably leads to the formation of two recombination centers on the SWCNT / PEDOT: PSS C and SWCNT / a-Si: H interfaces. Thus, for CNT40, CNT60, CNT80 and CNT100, the concentration of generated carriers in the form of holes is lower. It should be noted that according to the approach of the authors of the present invention, an optimized composite film not only increases the effective contact area on a-Si, but also stimulates the formation of holes in PEDOT: PSS, which are transferred to the bonded network from SWCNT due to higher carrier mobility to SWCNT, and also their one-dimensional axis. Compared with the documents from the level of technology [M. Schriver, W. Regan, M. Loster and A. Zettl, 2010, Carbon nanostructure_aSi: H.voltaic cells with high-voltage circuits. 150, pp. 561-563, S.D. Gobbo, P. Castrucci, M. Scarselli, L. Camilli, M.D. Crescenzi, L. Mariucci, A. Valletta, A. Minotti and G. Fortunato, 2011, Carbon nanotube semitransparent electrodes for amorphous silicon based photovoltaic devices Appl. Phys. Lett. 98, pp. 183113 and A.M. Funde et al. 2016, Carbon nanotube-amorphous silicon hybrid solar cell with conversion conversion efficiency, Nanotechnology 27, pp. 185401], the authors of the present invention unexpectedly found that using the cumulative effect of the single walled carbon nanotube and the PEDOT: PSS provides better and higher current-voltage characteristics of the HSE. The above is also the reason that the characteristics of the HSE, obtained according to the present invention, correspond to the latest achievements of science.
ПММА в качестве инкапсулирующего и антиотражающего покрытияPMMA as an encapsulating and antireflection coating
ПММА (полиметилметакрилат) применяли для защиты предложенного ГСЭ от любой модификации поверхности в условиях окружающей среды. ПММА имеет коэффициент пропускания, близкий к 100% в пределах широкого диапазона длин волн, на которой a-Si:H генерирует фотоиндуцированные носители. Способ изготовления, представленный на фигуре 1, был модифицирован, при этом была добавлена последняя стадия осаждения из раствора ПММА с помощью нанесения по каплям указанного раствора на поверхность гибридного фотоэлектрического преобразователя и последующим испарением растворителя (фигура 1а - стадия vi). 2 мкл раствора ПММА по каплям наносили на изготовленное устройство (фотоэлектрический преобразователь) на основе УНТ20 таким образом, чтобы активная поверхность элемента была равномерно покрыта. Предложенный фотоэлектрический преобразователь помещали на нагревательное устройство, нагретое до температуры 90°С, на 20 минут для обеспечения испарения растворителя.PMMA (polymethyl methacrylate) was used to protect the proposed HSE from any surface modification under environmental conditions. PMMA has a transmittance close to 100% within a wide range of wavelengths at which a-Si: H generates photo-induced carriers. The manufacturing method shown in FIG. 1 was modified, with the last stage of deposition from a PMMA solution added by applying a dropwise solution of the solution onto the surface of a hybrid photoelectric converter and the subsequent evaporation of the solvent (FIG. 1a - stage vi). 2 μl of PMMA solution was dropwise applied to a fabricated device (photoelectric converter) on the basis of CNT20 so that the active surface of the element was uniformly coated. The proposed photoelectric converter was placed on a heating device heated to a temperature of 90 ° C for 20 minutes to ensure evaporation of the solvent.
Была измерена толщина ПММА слоя, которая составила 300 нм согласно полученному с помощью SEM изображению поперечного сечения (фигура 4). Сравнение вольтамперных характеристик устройства ГСЭ на основе УНТ20 как с ПММА, так и без ПММА, показано на фигуре 6а и приведено в таблице 3.The thickness of the PMMA layer was measured, which was 300 nm according to the cross-section image obtained using SEM (figure 4). A comparison of the current-voltage characteristics of the HSE device based on CNT20 both with PMMA and without PMMA is shown in figure 6a and is shown in Table 3.
По сравнению со значениями, приведенными в предыдущем разделе, образец УНТ20 с ПММА позволил получить η=3,36±0,30%, FF=41,8±3%, Jsc=8,99±0,10 мА/см2 и Voc=0,896±0,040 В. При применении ПММА наблюдалось повышение эффективности превращения энергии (РСЕ), Jsc и Voc, достигающее 10%. Согласно кривой оптически неактивного состояния, показанной на фигуре 6а, плотность обратного тока насыщения составляет J0=8,04±0,01×10-4 мА/см2, шунтовое сопротивление составляет Rp=350±1 МОм/см2, последовательное сопротивление составляет Rs=21±2 кОм/см2 и фактор идеальности диода составляет n=1,06±0,03, т.е. близок к фактору идеального диода, что предполагает пониженную рекомбинацию носителей. Кривые ВКЭ УНТ20 с ПММА и без ПММА показаны на фигуре 6b. Величина ВКЭ достигает предельного значения при 47,1%, демонстрируя увеличение почти на 10% по сравнению с устройством без ПММА. Отклик ВКЭ значительно усиливается в диапазоне длин волн от 320 до 640 нм. Резкое увеличение значения ВКЭ при применении ПММА от 24% при 318 нм до 47% при 500 нм указывает на усиленное поглощение света и фотогенерацию в слое i-a-Si:Н.Compared with the values given in the previous section, a sample of CNT20 with PMMA allowed us to get η = 3.36 ± 0.30%, FF = 41.8 ± 3%, J sc = 8.99 ± 0.10 mA / cm 2 and V oc = 0,896 ± 0,040 V. When using PMMA, an increase in the energy conversion efficiency (PCE), J sc and V oc was observed, reaching 10%. According to the curve of the optically inactive state shown in figure 6a, the reverse current density of saturation is J 0 = 8.04 ± 0.01 × 10 -4 mA / cm 2 , the shunt resistance is R p = 350 ± 1 MOhm / cm 2 , sequential the resistance is R s = 21 ± 2 kΩ / cm 2 and the diode ideality factor is n = 1.06 ± 0.03, i.e. close to the ideal diode factor, which implies a lower carrier recombination. Curves VKE CNT20 with PMMA and without PMMA shown in figure 6b. The value of TBE reaches its limiting value at 47.1%, demonstrating an increase of almost 10% compared with a device without PMMA. The response of TBE is significantly enhanced in the wavelength range from 320 to 640 nm. A sharp increase in the value of TBEV in the application of PMMA from 24% at 318 nm to 47% at 500 nm indicates enhanced light absorption and photogeneration in the ia-Si: H layer.
Кроме того, большой интерес представляет применение ПММА в качестве антиотражающего покрытия (ARC) и несколько работ было посвящено применению ПММА слоя, действующего в качестве широкополосного ARC на солнечных элементах на основе Si-УНТ [X. Li, X. Yu and Y. Han, 2013, Polymer thin films for antireflection coatings J. Mater. Chem. C. 1, pp. 2266-2285, R. Li, J. Di, Z. Yong, B. Sun and Q. Li, 2014, Polymer thin films for antireflection coatings J. Mater. Chem. A. 2, pp. 4140-4143 и L. Yu, D.D. Tune, C.J. Shearer and J.G. Shapter 2015 Implementation of antireflection layers for improved efficiency of carbon nanotube-silicon heterojunction solar cells Sol. Energy 118, pp. 592-599]. Соответственно, авторы настоящего изобретения выполнили измерения коэффициента рассеянного отражения для исследования влияния ПММА в качестве ARC в солнечном элементе. Спектры отражения нелегированного a-Si:H, a-Si:H с ОСУНТ, a-Si:H с PEDOT:PSS, ГСЭ без ПММА и ГСЭ с ПММА показаны на фигуре 7. Поверхность a-Si:H с текстурой имеет минимальный коэффициент отражения, составляющий примерно 20%, в диапазоне от 500 до 800 нм. Минимумы коэффициента отражения ГСЭ без ПММА несколько ниже, чем минимумы нелегированного a-Si:H, и составляют примерно 16% в видимой области. Минимальный коэффициент отражения a-Si:H с PEDOT:PSS и a-Si:H с ОСУНТ ниже минимального коэффициента отражения нелегированного a-Si:H, и аналогичен коэффициенту отражения ГСЭ без ПММА.In addition, the use of PMMA as an antireflection coating (ARC) is of great interest and several papers have been devoted to the use of a PMMA layer acting as a broadband ARC on Si-CNT based solar cells [X. Li, X. Yu and Y. Han, 2013, Polymer thin films for antireflection coatings J. Mater. Chem. C. 1, pp. 2266-2285, R. Li, J. Di, Z. Yong, B. Sun and Q. Li, 2014, Polymer thin films for antireflection coatings J. Mater. Chem. A. 2, pp. 4140-4143 and L. Yu, D.D. Tune, C.J. Shearer and J.G. Shaper 2015 Implementation of antireflection layers for improved efficiency of carbon nanotube-silicon heterojunction solar cells Sol. Energy 118, pp. 592-599]. Accordingly, the authors of the present invention performed measurements of the diffuse reflection coefficient to study the effect of PMMA as an ARC in a solar cell. The reflection spectra of undoped a-Si: H, a-Si: H with SWCNT, a-Si: H with PEDOT: PSS, HSE without PMMA and HSE with PMMA are shown in figure 7. The a-Si: H surface with a texture has a minimum coefficient about 20% reflection in the range from 500 to 800 nm. The minima of the reflection coefficient of a HSE without PMMA are slightly lower than the minima of undoped a-Si: H, and are approximately 16% in the visible region. The minimum a-Si: H reflection coefficient with PEDOT: PSS and a-Si: H with SWCNT is lower than the minimum reflection coefficient of undoped a-Si: H, and is similar to the reflection coefficient of a HSE without PMMA.
Кроме того, для ГСЭ без ПММА авторы настоящего изобретения наблюдали красное смещение при длинах волн, соответствующих максимальному коэффициенту отражения в диапазоне от 700 до 900 нм. Похожее наблюдение для C-Si было сделано Fan с соавторами [Q. Fan et al. 2017, Novel Approach to Enhance Efficiency of Hybrid Silicon-Based Solar Cells via Synergistic Effects of Polymer and Carbon Nanotube Composite Film Nano Energy 33, pp. 436-444], при этом красное смещение было связано с увеличением толщины композитной пленки PEDOT:PSS-УНТ при введении сетки из УНТ. Соответственно, толщина PEDOT:PSS в композитной пленке должна быть оптимизирована для создания большего количества фотогенерируемых носителей, активируемых путем увеличения поглощения света a-Si:H. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что введение PEDOT:PSS и пленки из ОСУНТ на поверхность a-Si приводит к уменьшению коэффициента отражения. Это объясняется противоотражающим действием PEDOT:PSS и ОСУНТ. Кроме того, ГСЭ с ПММА демонстрирует уменьшенный до примерно 4,5% коэффициент отражения в видимой области спектра. Поэтому ПММА в качестве эффективного ARC повышает эффективность светоудерживающей ячейки, создавая больше фотогенерируемых носителей, что, таким образом, увеличивает плотность тока и эффективность ГСЭ.In addition, for HSE without PMMA, the authors of the present invention observed a redshift at wavelengths corresponding to the maximum reflection coefficient in the range from 700 to 900 nm. A similar observation for C-Si was made by Fan and co-authors [Q. Fan et al. 2017, Novel Approach to Silicon-Based Silicon-Coated Carbon Nanotube Composite Film Nano Energy 33, pp. 436-444], while the redshift was associated with an increase in the thickness of the PEDOT: PSS-CNT composite film with the introduction of a CNT mesh. Accordingly, the thickness of the PEDOT: PSS in the composite film should be optimized to create more photo-generated carriers activated by increasing the absorption of a-Si: H light. In addition, the authors of the present invention have found that the introduction of PEDOT: PSS and a film of single walled carbon nanotubes on the a-Si surface leads to a decrease in the reflection coefficient. This is due to the anti-reflective effect of PEDOT: PSS and SWCNT. In addition, HSE with PMMA exhibits a reduced to about 4.5% reflection coefficient in the visible region of the spectrum. Therefore, PMMA as an effective ARC increases the efficiency of the light-holding cell, creating more photogenerated carriers, which, therefore, increases the current density and efficiency of the HSE.
Таким образом, в настоящем документе предложен тонкопленочный гибридный фотоэлектрический преобразователь с большей эффективностью преобразования энергии за счет оптимизированного слоя, состоящего из ОСУНТ и PEDOT:PSS, а также предложен дешевый, не оказывающий отрицательного воздействия на окружающую среду и безотходный способ изготовления указанного гибридного фотоэлектрического преобразователя, в котором применяют ОСУНТ с увеличенной проводимостью за счет PEDOT:PSS в качестве «окна» и фронтального электрода. Способ нанесения вещества в сухом виде и способ осаждения из раствора с помощью нанесения по каплям раствора вещества с последующим испарением растворителя полностью совместимы со способом изготовления гибких устройств для введения на рынок в будущем дешевых гибких солнечных элементов. При этом то, что предложенный гибридный фотоэлектрический преобразователь предпочтительно является двухсторонним, является перспективной характеристикой для изготовления дешевых гибких тонкопленочных гибридных фотоэлектрических преобразователей на основе углеродных нанотрубок в будущем.Thus, this document proposes a thin-film hybrid photoelectric converter with greater energy conversion efficiency due to an optimized layer consisting of SWCNT and PEDOT: PSS, as well as a low-cost, environmentally friendly and waste-free method of manufacturing the specified hybrid photoelectric converter, in which SWCNT is used with increased conductivity due to PEDOT: PSS as a “window” and front electrode. The method of applying a substance in a dry form and the method of deposition from a solution by applying dropwise a solution of a substance with subsequent evaporation of the solvent are fully compatible with the method of making flexible devices for introducing cheap flexible solar cells to the market in the future. In this case, the fact that the proposed hybrid photoelectric converter is preferably two-sided is a promising characteristic for the manufacture of cheap flexible thin-film hybrid photoelectric converters based on carbon nanotubes in the future.
Claims (32)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141051A RU2694113C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141051A RU2694113C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing |
Publications (4)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017141051A RU2017141051A (en) | 2019-05-27 |
| RU2017141051A3 RU2017141051A3 (en) | 2019-05-27 |
| RU2694113C2 true RU2694113C2 (en) | 2019-07-09 |
| RU2694113C9 RU2694113C9 (en) | 2019-11-07 |
Family
ID=66636009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141051A RU2694113C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694113C9 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2760378C1 (en) * | 2021-03-05 | 2021-11-24 | Акционерное общество "Сатурн" (АО "Сатурн") | Solar element module manufacturing method |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU202307U1 (en) * | 2020-10-21 | 2021-02-11 | Виктор Юрьевич Тимошенко | PHOTOELECTRIC CONVERTER |
| RU2757544C1 (en) * | 2021-04-22 | 2021-10-18 | Общество с ограниченной ответственностью «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике» | Silicon-based double-sided heterojunction photovoltaic converter |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013211305A (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Hitachi Zosen Corp | Three dimensional homojunction cnt solar cell |
| RU2560031C2 (en) * | 2010-03-04 | 2015-08-20 | Гардиан Индастриз Корп. | Electronic devices with transparent conducting coatings containing carbon nanotubes and composites from nanowires and methods of their manufacture |
| JP2015162529A (en) * | 2014-02-27 | 2015-09-07 | 日立造船株式会社 | Solar cell |
| RU2590284C1 (en) * | 2015-04-10 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе", ООО "НТЦ ТПТ" | Solar cell |
-
2017
- 2017-11-24 RU RU2017141051A patent/RU2694113C9/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2560031C2 (en) * | 2010-03-04 | 2015-08-20 | Гардиан Индастриз Корп. | Electronic devices with transparent conducting coatings containing carbon nanotubes and composites from nanowires and methods of their manufacture |
| JP2013211305A (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Hitachi Zosen Corp | Three dimensional homojunction cnt solar cell |
| JP2015162529A (en) * | 2014-02-27 | 2015-09-07 | 日立造船株式会社 | Solar cell |
| RU2590284C1 (en) * | 2015-04-10 | 2016-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе", ООО "НТЦ ТПТ" | Solar cell |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2760378C1 (en) * | 2021-03-05 | 2021-11-24 | Акционерное общество "Сатурн" (АО "Сатурн") | Solar element module manufacturing method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017141051A (en) | 2019-05-27 |
| RU2017141051A3 (en) | 2019-05-27 |
| RU2694113C9 (en) | 2019-11-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100405617C (en) | Solar cell based on carbon nanotube film and preparation method thereof | |
| Passatorntaschakorn et al. | Room-temperature carbon electrodes with ethanol solvent interlacing process for efficient and stable planar hybrid perovskite solar cells | |
| CN116669440B (en) | Solar cell and preparation method thereof, photovoltaic module and photovoltaic device | |
| Chen et al. | 14.1% efficiency hybrid planar-Si/organic heterojunction solar cells with SnO2 insertion layer | |
| Jung et al. | Effect of layer number on the properties of stable and flexible perovskite solar cells using two dimensional material | |
| Rajanna et al. | Enhanced efficiency of hybrid amorphous silicon solar cells based on single-walled carbon nanotubes and polymer composite thin film | |
| Castrucci | Carbon nanotube/silicon hybrid heterojunctions for photovoltaic devices | |
| Arivazhagan et al. | Interface engineering of C60/fluorine doped tin oxide on the photovoltaic performance of perovskite solar cells using the physical vapor deposition technique | |
| RU2694113C2 (en) | Thin-film hybrid photoelectric converter and method of its manufacturing | |
| Chen et al. | Harnessing light energy with a planar transparent hybrid of graphene/single wall carbon nanotube/n-type silicon heterojunction solar cell | |
| Hsueh et al. | Crystalline-Si photovoltaic devices with ZnO nanowires | |
| Luo et al. | Improving open-circuit voltage and short-circuit current of high-efficiency silicon-based planar heterojunction solar cells by combining V2O5 with PEDOT: PSS | |
| KR101415168B1 (en) | Preparation method of fibrous solar cells having metal grid electrode, and the fibrous solar cells thereby | |
| JP2010109227A (en) | Organic photoelectric conversion element | |
| Wang et al. | Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices | |
| KR101390775B1 (en) | Organic solar cell including metal wiring buried substrates, and the preparation method thereof | |
| KR101333714B1 (en) | Preparation method of fibrous solar cells, and the fibrous solar cells thereby | |
| Ju et al. | Fabrication of organic photovoltaic cells with double-layer ZnO structure | |
| US20240213388A1 (en) | Multi-junction solar cell and method for manufacturing the same | |
| Tanaka et al. | Semitransparent organic photovoltaic cell with carbon nanotube-sheet anodes and Ga-doped ZnO cathodes | |
| Pei et al. | ZnO-based inverted hybrid solar cells using P3HT and spiro-OMeTAD with hole transporting property: layered or blended | |
| CN118382302B (en) | Gallium arsenide heterojunction solar cell and preparation method and application thereof | |
| Lin et al. | High mechanical strength thin HIT solar cells with graphene back contact | |
| Hasan et al. | Integration of NiO layer as hole transport material in perovskite solar cells | |
| Horachit et al. | Effects of precursor concentration on hydrothermally grown ZnO nanorods as electron transporting layer in perovskite solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TH4A | Reissue of patent specification | ||
| TK49 | Information related to patent modified |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 19-2019 FOR INID CODE(S) (72) |