органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента

Формула изобретения

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента, состоящий из смеси донорного полупроводникового полимера с акцепторными фуллереновыми структурами, отличающийся тем, что в качестве акцепторного компонента используются нанокластеры эндометаллофуллерена гадолиния, составляющего 8-12% от общей массы гетероперехода, настроенные на плазмонный резонанс в видимой части оптического спектра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов на твердом теле с использованием комбинации органических материалов с другими материалами в качестве активной части, специально предназначенных для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.

Известны органические фотовольтаические преобразователи энергии, сформированные на основе объемного донор-акцепторного гетероперехода, который изготавливается из смеси полупроводникового полимера с фуллеренами или их производными (J. Ibid., 1994, v. 64, № 25, p. 3422-3424; J. Mater. Chem., 2006, v. 16, № 1, p. 45-61). Для улучшения эффективности преобразования солнечной энергии, в полимерный анодный буферный слой фотоэлементов добавляют металлические, металлокомпозитные наночастицы с плазменным резонансом, настроенным на видимый световой диапазон (ACS Nano, 2011. V. 5, N.2, р. 959-967; патент на полезную модель № 104780, опубл. 20.05.2011).

В результате такой модификации в области плазменного резонанса происходит значительное увеличение коэффициента поглощения света за счет возбуждения в наночастицах локализованных плазмонов. Плазменные возбуждения, с одной стороны, формируют дополнительные экситонные состояния, с другой стороны, как показывают измерения кинетики люминесценции, резко сокращают их время жизни, способствуя более эффективному пространственному разделению зарядов (электронов и дырок) в активном слое за счет плазмон-экситонного спаривания. В результате чего происходит увеличение коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента.

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента с буферным слоем, модифицированным добавлением в него металлических плазменных наночастиц, является наиболее близким аналогом и принят за прототип (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, p. 959-967).

Недостатком такого модифицированного органического донорно-акцепторного гетероперехода является невозможность добавления металлических наночастиц в его внутренний объем, поскольку это приводит к нарушению работоспособности гетероперехода. Происходит его шунтирование и резкое уменьшение фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС). Эффект плазмон-экситонного спаривания реализуется в толщине 10-20 нм фотоактивного донорно-акцепторного слоя, примыкающего к полимерному слою анодного буфера, доппированного плазменными наночастицами (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, р. 959-967). При этом большая часть гетероперехода (до 90%) работает в обычном режиме.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности органического фотовольтаического преобразователя энергии за счет применения в нем оригинального донорно-акцепторного гетероперехода.

Поставленная задача решается тем, что в органическом донорно-акцепторном гетеропереходе для солнечного элемента, состоящего из смеси донорного полупроводникового полимера с акцепторными фуллереновыми структурами, в качестве акцепторного компонента используются нанокластеры эндометаллофуллерена гадолиния, составляющего 8-12% от общей массы гетероперехода, настроенные на плазменный резонанс в видимой части оптического спектра.

Организация молекул M@C₈₂ в нанокластеры размером 50-80 нм инициируется их большим собственным дипольным моментом (3-4 D). При концентрационных соотношениях акцепторной компоненты 8-12% нанокластеры M@C₈₂ настраиваются на наноплазмонный резонанс в видимой области спектра 300-400 нм (Оптика и спектроскопия, 2010, том 109, № 4, с. 630-636).

Вместе с тем молекулы M@C ₈₂ обладают ярко выраженными акцепторными свойствами по отношению к большинству полупроводниковых полимеров. Таким образом, используя при формировании донор-акцепторного гетероперехода нанокластеры M@C₈₂, акцепторные и плазменные свойства совмещаются в рамках одного объекта - наночастице эндометаллофуллеренов. M@C₈₂ наночастицы заполняет весь объем гетероперехода без нарушения его фотовольтаических свойств, что позволяет использовать эффект плазмон-экситонного спаривания в полном объеме гетероперехода.

На фигуре 1 изображен органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента, на фигуре 2 приведена схема взаимодействия плазменных и экситонных возбуждений в органическом донорно-акцепторном гетеропереходе.

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента включает: алюминиевый электрод 1, гетеропереход 2, прозрачный электрод из окиси индия 3, стеклянной подложки 4. К электродам 1 и 3 подключен мультиметр 5.

Экспериментальная проверка способности модифицированного органического донорно-акцепторного гетероперехода эффективно разделять фотовозбужденные электронно-дырочные пары осуществлялась на мультислойных системах, полученных методом полива на стеклянную подложку 4 с проводящим ITO покрытием 3, смеси раствора MEH-PPV и 8%; 10%; 12% Gd@C₈₂. Толщина высохшей пленки органического донорно-акцепторного гетероперехода 2 составляла 200-300 нм. Через маску на поверхность сформированной пленки донорно-акцепторного гетероперехода 2 наносился слой Al-1 толщиной ~1 мкм. Образец сравнения изготавливался по аналогичной технологии с использованием в качестве акцепторной примеси С ₆₀.

При освещении мультислойных систем со стороны прозрачного электрода из оксида индия 3 светом от лампы ДКсШ-150 с плотностью мощности W=0,1 Вт/см², для образцов ITO/MEH-PPV:Gd@C₈₂/Al и ITO/MEH-PPV/С₆₀ /Аl, измеряли фотоЭДС, ток короткого замыкания, спектральную чувствительность с помощью мультиметра 5. Обнаружили, что в случае использования в качестве акцепторной компоненты вместо С ₆₀ Gd@C₈₂, величина фотоЭДС возрастает с 0,5 до 0,55 мВ, ток короткого замыкания увеличивается на 20%, спектральная чувствительность системы в области 300-400 нм возрастает в несколько раз, что отражено в таблице. Полученный положительный эффект превосходит положительный эффект прототипа на 5%.

Таблица
Тип гетероперехода	MEH-PPV/C 60 образец сравнения (прототип)			MEH-PPV/Gd@C82
Доля акцепторной компоненты в смеси СA/(CA+C D)·100%	8%	10%	12%	8%	10%	12%
ФотоЭдс, мВ	500	500	500	550	550	550
Ток короткого замыкания, мкА	12	12,1	12,1	13	14,5	14

Таким образом, применение заявляемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии органическим фотоэлементом, что может найти применение в устройствах солнечной энергетики.