Гибкий солнечный элемент

Изобретение относится к солнечным элементам и может использоваться в качестве преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию в энергетике и в портативной электронике. Cолнечный элемент включает катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, при этом внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок, внешний слой анода выполнен из проводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем. Изобретение обеспечивает упрощение технологии изготовления солнечных элементов и снижает их стоимость, также увеливает их гибкость. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к солнечным элементам (СЭ) и может использоваться в альтернативной энергетике для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

В настоящее время наиболее распространены СЭ на основе кремния. Они обладают относительно высоким к.п.д., однако и стоимость их высока.

В качестве альтернативных кремниевым СЭ можно рассматривать так называемые «ячейки Гретцеля» - СЭ, сенсибилизированные красителем. Конструктивно ячейка Гретцеля состоит из пластинки электропроводящего стекла, на которую нанесен слой диоксида титана, который является полупроводником. Поверх слоя диоксида титана располагается слой специального органического красителя, а к стеклу подведены токоприемники. Особенностью красителя является то, что под воздействием солнечного света он выделяет электроны. Через слой полупроводника электроны могут двигаться только в одном направлении - к токоприемнику. Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему. Конструкция предполагает использование прозрачных проводящих электродов, в качестве которых используют стеклянные пластины, покрытые слоем оксида индия с оловом. Использование таких пластин не позволяет сделать СЭ гибким, что ограничивает его применение.

Известна конструкция СЭ с катодом на основе оксида индия с оловом [Seigo Ito и др. «High-efficiency (7,2%) flexible dye-sensitized solar cells with Ti-metal substrate for nanocrystalline-TiO₂ photoanode» Http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2006/cc/b608279c#!divAbstract]. В качестве анода используется титановая фольга, а катод включает в себя гибкую подложку из полиэтиленнафталата, на которую нанесен слой оксида индия с оловом, покрытый слоем платины. В состав электролита входит 1-бутил-3-метилимидазолий иодид, гуанидиний тиоцианат, 4-трет-бутилпиридин в смеси с ацетонитрилом и валеронитрилом. Электролит расположен между катодом и анодом, а СЭ представляет собой ячейку типа «сэндвич».

Описанный СЭ имеет недостатки, обусловленные применением прозрачных электродов на основе оксида индия с оловом, к которым относятся их хрупкость и недостаточная гибкость, что приводит к растрескиванию покрытия и не позволяет организовать поточное производство СЭ на гибкой основе, а также высокая стоимость индия и платины, что значительно увеличивает стоимость СЭ.

Наиболее близким аналогом предлагаемого СЭ является сенсибилизированный красителем гибкий СЭ, содержащий катод, анод и электролит, расположенный между катодом и анодом [Заявка США №20100051101, МПК H01L 31/0216, H01L 31/18]. Катод выполнен в виде гибкой полимерной подложки с нанесенным на нее слоем из углеродных нанотрубок (УНТ) и фоточувствительным слоем из полупроводника - наночастиц диоксида титана, сенсибилизированных поглощающим свет красителем. Анод выполнен в виде гибкой полимерной подложки, на которую нанесен проводящий слой из напыленных металлов, таких как платина, палладий, серебро или золото. В качестве электролита используется окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид.

Электролит заполняет промежуток между катодом и анодом и обеспечивает протекание электрического тока между ними. Слой из углеродных нанотрубок выполнен достаточно тонким и прозрачным, так что солнечный свет проходит через него и попадает на слой полупроводника, сенсибилизированного красителем. Молекулы красителя, поглощая солнечный свет, переходят в возбужденное состояние и отдают электрон полупроводнику - диоксиду титана. По слою, состоящему из частиц диоксида титана, электроны достигают электрода, имеющего проводящий слой из углеродных нанотрубок, а затем через внешнюю цепь попадают на анод. На аноде происходит передача электронов молекулам йода, находящимся в электролите, с образованием ионов йода. Ионы йода в свою очередь передают недостающие электроны молекулам красителя.

Прототип имеет следующие недостатки.

Во-первых, он сложен в изготовлении. Так, при изготовлении катода слой наночастиц диоксида титана, сенсибилизированных красителем, предварительно формируют на металлической фольге, сформированный слой высушивают, запекают при температуре около 500°C. Запеченный слой снимают с фольги и переносят на полимерную подложку, покрытую УНТ. При таком способе изготовления трудно обеспечить надежный электрический контакт слоя диоксида титана с подложкой и нанесенным на нее слоем УНТ, который необходим для эффективной передачи электронов.

Во-вторых, он имеет высокую стоимость, обусловленную применением драгоценных металлов в проводящем слое анода.

Изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления СЭ, снижения его стоимости и увеличения гибкости.

Поставленная задача решается тем, что предлагается СЭ, включающий катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, при этом внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, а его внутренний слой выполнен из углеродных нанотрубок, внешний слой анода выполнен из электропроводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

В качестве слоя из электропроводящего материала целесообразно использовать металлическую фольгу. Применение металлической фольги в качестве основы для фоточувствительного слоя из полупроводника позволяет при изготовлении СЭ запечь названный слой при высокой температуре, что обеспечивает хороший электрический контакт между частицами полупроводника и, как следствие, его высокую электропроводность.

Фольга может быть выполнена из металла, выбранного из ряда: титан, или железо, или вольфрам, или молибден и др.

Светопроницаемый полимерный материал может быть выбран из ряда: полиэтилентерефталат, или полиэтиленнафталат, или полиимид, или полимерный гидрокарбон, или целлюлоза, или поликарбонат, или полистирол.

Полупроводниковый материал может быть выбран из ряда: диоксид титана, или оксид цинка, или пентаоксид ниобия, или триоксид вольфрама, или диоксид олова, или оксид магния.

В СЭ может использоваться краситель на основе соли рутения, например N3 или N719.

В СЭ может использоваться в качестве красителя порфириновый комплекс, например, входящий в состав гемоглобина или хлорофилла, или перовскит, или кумарин, мероцианин или другие специально разработанные для использования в СЭ органические красители.

Электролит может содержать окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид (I^-/I^3-).

Названная окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид может быть растворена в ацетонитриле или в жидком или твердом полимере, например полимере на основе полиэтилен-оксида.

Слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, должен быть выполнен таким образом, чтобы его соседние наночастицы или большая их часть контактировали между собой, обеспечивая проводимость электронов.

СЭ может быть помещен в герметичный прозрачный футляр, например, выполненный из полимерной пленки.

На фиг.1 представлена конструкция СЭ, где: 1 - электролит, 2 - катод, 3 - анод, 4 - слой светопроницаемого полимерного материала, 5 - слой УНТ, 6 - слой проводящего материала, 7 - слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

Электролит 1 расположен в зазоре между электродами: катодом 2 и анодом 3. В качестве электролита используется, например, окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид (I^-/I^3-) в растворе ацетонитрила или в жидком или твердом полимере, например, полимере на основе полиэтилен-оксида.

Светопроницаемый электрод СЭ - катод 2 состоит из слоя гибкого полимерного светопроницаемого материала 4 и проводящего слоя УНТ 5, также светопроницаемого. Слой полимерного материала может быть из полиэтилентерефталата, или полиэтиленнафталата, или полиимида, или полимерного гидрокарбона, или целлюлозы, или поликарбоната, или полистирола, или другого подходящего материала.

Светонепроницаемый электрод СЭ - анод 3 состоит из слоя проводящего материала 6, например металлической фольги, и слоя наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем 7. Фольга может быть выполнена из титана, или стали, или вольфрама, или молибдена. Полупроводниковым материалом может быть: диоксид титана (TiO₂), или оксид цинка (ZnO), или пентаоксид ниобия (Nb₂O₅), или триоксид вольфрама (WO₃), или диоксид олова (SnO₂), или оксид магния (MgO), или другой подходящий материал. В качестве красителя может использоваться краситель на основе соли рутения, например N3 или N719. Или могут использоваться специально разработанные органические красители, например гемоглобин или хлорофилл, или перовскит, или кумарин, мероцианин и другие.

Слой наночастиц полупроводникового материала должен обеспечивать высокий уровень проводимости для электронов. Для выполнения этого слоя на проводящий материал, например металлическую фольгу, наносят пасту, приготовленную из наночастиц полупроводника и этилового спирта, после чего ее нагревают до соответствующей температуры, при которой спирт испаряется, а наночастицы спекаются между собой. Например, наночастицы диоксида титана спекаются при температуре 400°С.

Электролит помещен между слоем УНТ 5 катода и слоем наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем 7 анода.

Предлагаемый СЭ работает следующим образом (на примере СЭ, содержащего в качестве электролита окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид, в качестве слоя проводящего материала - титановую фольгу, в качестве слоя светопроницаемого полимерного материала - пленку из полиэтилентерефталата, в качестве полупроводникового материала - диоксид титана, в качестве красителя - краситель на основе соли рутения N 719 Di-tetrabutylarmmonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)ruthenium-(II)).

Излучаемый солнцем свет проходит через светопроницаемые катод 2 и электролит 1 до слоя 7 светонепроницаемого анода 3. Слой 7 состоит из наночастиц полупроводникового материала - диоксида титана и молекул красителя на основе соли рутения. Молекулы красителя поглощают фотоны попавшего на них света, переходят при этом в возбужденное состояние и выделяют электроны. Выделенные молекулами красителя электроны инжектируются в зону проводимости полупроводникового материала TiO₂. При этом молекула красителя окисляется, образуя положительно заряженный ион, а через СЭ протекает электрический ток сверху вниз к титановой фольге 6. Положительно заряженные ионы красителя, в свою очередь, компенсируют недостаток электрона, окисляя йодид в составе электролита до трийодида. На слое углеродных нанотрубок 5 происходит восстановление трийодида до йодида. Затем йодид проходит через электролит к слою из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, где восстанавливает окисленные молекулы красителя.

В результате описанных процессов возникает разность потенциалов между катодом и анодом, а именно между слоем углеродных нанотрубок катода и металлической фольгой анода, благодаря чему при замыкании внешней цепи возникает электрический ток.

СЭ может быть помещен в светопроницаемый герметичный футляр, выполненный, например, из запаянной по краям полимерной пленки. Такой футляр защищает от внешних воздействий и срок службы СЭ может быть увеличен.

Предлагаемый гибкий СЭ относительно дешев, так как не имеет в своем составе дорогостоящих материалов, технологичен в изготовлении и не склонен к разрушениям при изгибании.

1. Солнечный элемент, включающий катод и анод, каждый из которых имеет внешний и внутренний гибкие слои, причем названные катод и анод расположены таким образом, что их внутренние слои находятся напротив друг друга с зазором, заполненным электролитом, а внешний слой катода выполнен из светопроницаемого полимерного материала, отличающийся тем, что внутренний слой катода выполнен из углеродных нанотрубок, при этом внешний слой анода выполнен из электропроводящего материала, а его внутренний слой выполнен из наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем.

2. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что полимерный материал выбран из ряда: полиэтилентерефталат, или полиэтиленнафталат, или полиимид, или полимерный гидрокарбон, или целлюлоза, или поликарбонат, или полистирол.

3. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что слоем из электропроводящего материала является металлическая фольга.

4. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый материал выбран из ряда: диоксид титана, или оксид цинка, или пентаоксид ниобия, или триоксид вольфрама, или диоксид олова, или оксид магния.

5. Солнечный элемент по п.3, отличающийся тем, что металлическая фольга выполнена из металла, выбранного из ряда: титан, или сталь, или вольфрам, или молибден.

6. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что используется краситель на основе соли рутения, например N3 или N719.

7. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что используется органический краситель, например кумарин или мероцианин, или порфириновый комплекс, входящий в состав гемоглобина или хлорофилла, или перовскит.

8. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что электролит содержит окислительно-восстановительную пару йодид/трийодид,

9. Солнечный элемент по п.8, отличающийся тем, что окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид растворена в ацетонитриле.

10. Солнечный элемент по п.8, отличающийся тем, что окислительно-восстановительная пара йодид/трийодид растворена в жидком или твердом полимере, например полимере на основе полиэтилен-оксида.

11. Солнечный элемент по п.1, отличающийся тем, что слой наночастиц полупроводникового материала, сенсибилизированного красителем, выполнен таким образом, что его соседние наночастицы контактируют между собой.