Фотоэлемент с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения
Владельцы патента RU 2354003:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Изобретение может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Фотоэлемент состоит из металлической пластины-катода и электроконтактной сетки-анода с расположенными между ними прозрачным электропроводящим слоем и фоточувствительным слоем из прозрачного полупроводникового полимера n-типа, содержащего полупроводниковые нанокристаллы р-типа и металлические наночастицы. Согласно изобретению обращенные внутрь фотоэлемента поверхности металлической пластины-катода и электроконтактной сетки-анода снабжены серебряными зеркальными покрытиями, при этом в прозрачный электропроводящий слой фотоэлемента введены сферические микрокапсулы из прозрачного диэлектрика в количестве n, определяемом приводимым выражением, а в сферические микрокапсулы из прозрачного диэлектрика помещены микрочастицы кристаллофосфора. Изобретение обеспечивает возможность выработки фотоэлементом электрической энергии в течение заданного времени после прекращения подачи на него внешнего электромагнитного излучения. 1 ил.
Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве фотоэлементов, в том числе солнечных фотоэлементов.
Известен преобразователь солнечной энергии в электрическую [1] на основе гетероперехода между слоями халькогенида кадмия и меди n- и р-типов проводимости.
Недостаткоми указанного преобразователя являются недостаточно высокий кпд, не превышающий 15%, и невозможность выработки электроэнергии при прекращении подачи электромагнитного излучения, например в ночное время.
Известен фотоэлемент [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий электроконтактную сетку-анод и металлическую пластину-катод с размещенными между ними прозрачным электропроводящим слоем и фоточувствительным слоем из прозрачного полупроводникового полимера n-типа с полупроводниковыми нанокристаллами р-типа и металлическими наночастицами.
Кпд такого гетерогенного фотоэлемента достигает 60-70% в максимуме на резонансной частоте электромагнитного излучения, однако он тоже не может вырабатывать электроэнергию при прекращении подачи на него внешнего электромагнитного излучения.
Задачей изобретения является обеспечение возможности аккумуляции фотоэлементом энергии подаваемого на него внешнего электромагнитного излучения с последующим превращением ее в электрическую энергию при сохранении габаритов и массы фотоэлемента.
Техническим результатом изобретения является возможность выработки фотоэлементом электрической энергии в течение заданного времени после прекращения подачи на него внешнего электромагнитного излучения.
Технический результат достигается тем, что в известном фотоэлементе, содержащем электроконтактную сетку-анод и металлическую пластину-катод с размещенными между ними прозрачным электропроводящим слоем и фоточувствительным слоем из прозрачного полупроводникового полимера n-типа с полупроводниковыми нанокристаллами р-типа и металлическими наночастицами, в отличие от прототипа, в нем поверхности электроконтактной сетки-анода и металлической пластины-катода, обращенные внутрь фотоэлемента, снабжены серебряными зеркальными покрытиями, при этом в прозрачный электропроводящий слой введены микрокапсулы из прозрачного диэлектрика с помещенными в них микрочастицами кристаллофосфора, причем количество микрокапсул n определяется выражением
l≤n≤(Vэс/r3)·10-2,
где Vэс - объем прозрачного электропроводящего слоя фотоэлемента;
r - характерный размер введенных в прозрачный электропроводящий слой микрокапсул из прозрачного диэлектрического материала.
Такой фотоэлемент с введенными в него микрокапсулами из прозрачного диэлектрика, в свою очередь с помещенными в микрокапсулы микрочастицами кристаллофосфора, за счет явления фосфоресценции [3] способен вырабатывать электрическую энергию в течение заданного времени после прекращении подачи на фотоэлемент внешнего электромагнитного излучения. Поскольку введение микрокапсул осуществляется в уже существующий в фотоэлементе прозрачный электропроводящий слой и при этом их концентрация не превышает 1%, габариты и масса заявляемого фотоэлемента практически не возрастают.
Совокупность всех указанных существенных признаков предлагаемого фотоэлемента позволяет ему аккумулировать энергию подаваемого на него внешнего электромагнитного излучения с последующим превращением ее в электрическую энергию при сохранении габаритов и массы.
Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, то заявленный фотоэлемент с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения соответствуют критерию "изобретательский уровень".
Осуществление заявленного технического решения поясняется с помощью конструкционной схемы, представляющей фотоэлемент в разрезе.
Фотоэлемент с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения содержит металлическую пластину-катод 1, фоточувствительный слой из прозрачного полупроводникового полимера n-типа 2 с полупроводниковыми нанокристаллами р-типа 3 и металлическими наночастицами 4, а также прозрачным электропроводящий слой 5, размещенные между металлической пластиной-катодом 1 электроконтактной сеткой-анодом 6. Поверхности электроконтактной сетки-анода 6 и металлической пластины-катода 1, обращенные внутрь фотоэлемента, снабжены серебряными зеркальными покрытиями 7, при этом в прозрачный электропроводящий слой 5 введены микрокапсулы из прозрачного диэлектрика 8 с помещенными в них микрочастицами кристаллофосфора 9. На схеме показано также падающее на фотоэлемент электромагнитное излучение 10.
Поскольку микрочастицы кристаллофосфора 9 излучают свет одновременно во все стороны, большую часть его необходимо направить в р - n-переход, для чего поверхности анода 6 и катода 1, обращенные внутрь фотоэлемента, снабжены зеркальными покрытиями 7. Выбор серебра в качестве материала для зеркального покрытия 7 диктуется необходимостью обеспечения не только максимальной отражательной способности в области видимой части спектра электромагнитного излучения для его концентрации на р - n-переходе, но и одновременного обеспечения максимально надежного контакта между анодом 6 и прозрачным электропроводящим слоем 5, а также между катодом 1 и полупроводниковым полимером 2.
Выполнение микрокапсул 8 из прозрачного диэлектрика (например, стекла) диктуется необходимостью защиты микрочастиц кристаллофосфора 9 от преждевременного разряда под действием протекающего в слое электрического тока. При этом желательно выполнение микрокапсул 8 в сферическом или овальном виде, так как в этом случае благодаря линзовому эффекту увеличивается концентрация электромагнитного излучения на микрочастицах кристаллофосфора 9.
Принцип работы заявляемого фотоэлемента с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения состоит в следующем.
При подаче на фотоэлемент внешнего электромагнитного излучения 10 оно проходит через электроконтактную сетку 6, которая является анодом и частично поглощается в полупроводниковых нанокристаллах 3, ширина запрещенной зоны которых меньше энергии фотонов электромагнитного излучения 10. При указанном поглощении электроны из валентной зоны указанных нанокристаллов 3 переходят в зону проводимости. При этом концентрация свободных электронов в нанокристаллах 3 повышается и они диффундируют в указанный полупроводниковый полимер 2. Таким образом, концентрация свободных электронов в области электроконтактной сетки-анода 6 увеличивается по сравнению с областью около указанной металлической пластины-катода 1, что приводит к возникновению тока электронов от электоконтактной сетки-анода 6 к металлической пластине-катоду 1 и далее во внешнюю цепь, если она замкнута. При этом, если указанные металлические наночастицы 4 выбраны так, что частота их плазменного резонанса находится вблизи максимума спектра поглощения указанных нанокристаллов 3, то диэлектрическая проницаемость среды фоточувствительного слоя фотоэлемента на частоте падающего электромагнитного излучения 10 существенно возрастает, что в свою очередь приводит к существенному возрастанию эффективности генерации электронов и их тока. По данным расчетов [2], в видимой части спектра относительная эффективность генерации тока электронов такого фотоэлемента увеличивается в 2,5 и более раз по сравнению с фотоэлементом, не содержащим металлических наночастиц, соответственно увеличивается и кпд фотоэлемента. В процессе этого падающее на фотоэлемент внешнее электромагнитное излучение 10 проходит через прозрачный электропроводящий слой 5, фоточувствительный слой из полупроводникового полимера n-типа 2, а также через расположенные в прозрачном электропроводящим слое 5 стенки микрокапсул 8 из прозрачного диэлектрика и воздействует на помещенные в них микрочастицы кристаллофосфора 9. В свою очередь, микроцастицы кристаллофосфора 9 поглощают некоторые составляющие падающего электромагнитного излучения 10 и аккумулируют его, после чего за счет явления фосфоресценции [3] начинают испускать вторичное электромагнитное излучение другой частоты.
При прекращении действия на фотоэлемент внешнего электромагнитного излучения 10 микрочастицы кристаллофосфора 9 благодаря аккумулированной в них энергии электромагнитного излучения продолжают за счет явления фосфоресценции [3] излучать электромагнитное излучение светового диапазона, которое, проходя через стенки микрокапсул из прозрачного диэлектрика 8, излучается одновременно во все стороны. Далее это электромагнитное излучение светового диапазона или непосредственно, или отражаясь от серебряного зеркального покрытия 7 металлической пластины-катода, а также от такого же покрытия электроконтактной сетки-анода попадает в фоточувствительный слой, при этом благодаря близости микрокапсул 8 к р - n-переходу и малой толщине фотоэлемента (тонкопленочная конструкция) световое электромагнитное излучение практически не ослабляется. Затем действие электромагнитного излучения светового диапазона на р - n-переход усиливается за счет плазменного резонанса металлических наночастиц 4 вблизи спектра поглощения нанокристаллов 3, приводя к повышенному превращению энергии электромагнитного излучения видимой части спектра в электрическую энергию.
Эффект наступает при наличии хотя бы одной микрокапсулы 8 из прозрачного диэлектрика с помещенными в нее микрочастицами кристаллофосфора 9, т.е.
С другой стороны, введенные в выделенный слой микрокапсулы 8 не должны оказывать заметного влияния на проводимость данного слоя, чтобы не создавать излишнего дополнительного внутреннего сопротивления текущим электронам, а также практически не уменьшать оптическую прозрачность слоя. Для этого должно соблюдаться условие - объем прозрачного электропроводящего слоя должен быть много больше суммарного объема помещенных в него диэлектрических микрокапсул
где Vэс - объем прозрачного электропроводящего слоя фотоэлемента;
Vмк - суммарный объем введенных в прозрачный электропроводящий слой микрокапсул из прозрачного диэлектрического материала с помещенными в них микрочастицами кристаллофосфора,
т.е. Vэс должен быть по крайней мере на два порядка больше Vмк:
откуда, полагая что
где r - характерный размер введенных в слои микрокапсул; n - число введенных в слой микрокапсул.
Тогда максимальное число введенных в выделенный слой микрокапсул 8 будет определяться как
где n - число введенных в слои микрокапсул.
Окончательно, допустимое число введенных в выделенный слой микрокапсул должно удовлетворять соотношению, получаемому из (1) и
Поскольку время фосфоресценции различных кристаллофосфоров колеблется от долей секунд до нескольких часов [4] и даже суток [3], выбор определенного типа кристаллофосфора для применения в фотоэлементе является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Таким образом, солнечные батареи на основе заявляемого фотоэлемента с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения могут вырабатывать электроэнергию и в ясную, и в пасмурную погоду и днем, и ночью.
Литература
1. С.Ю.Павелец, авт. св. SU 689483 A1.
2. Патент RU 2217845 C1 - прототип.
3. Фосфоресценция. Большая Советская Энциклопедия (В 30 томах) / Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 3-е. М.: Сов. энциклопедия, 1977. Т.27, стр.564.
4. Кристаллофосфоры. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1990. Т.II, стр.515.
Фотоэлемент с аккумуляцией энергии электромагнитного излучения, содержащий электроконтактную сетку-анод и металлическую пластину-катод с размещенными между ними прозрачным электропроводящим слоем и фоточувствительным слоем из прозрачного полупроводникового полимера n-типа с полупроводниковыми нанокристаллами р-типа и металлическими наночастицами, отличающийся тем, что в нем поверхности электроконтактной сетки-анода и металлической пластины-катода, обращенные внутрь фотоэлемента, снабжены серебряными зеркальными покрытиями, при этом в прозрачный электропроводящий слой введены микрокапсулы из прозрачного диэлектрика с помещенными в них микрочастицами кристаллофосфора, причем количество микрокапсул n определяется выражением
L≤n≤(Vэс/r3)·10-2,
где Vэс - объем прозрачного электропроводящего слоя фотоэлемента;
r - характерный размер введенных в прозрачный электропроводящий слой микрокапсул из прозрачного диэлектрического материала.
