ПОЛИМЕРНЫЙ ФОТОЭЛЕТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к полупроводниковой и электрохимической технике, в частности к области создания фотоэлектрических источников электрической энергии.

Основной целью технических решений в этой области является повышение КПД и расширение диапазона преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию.

Известен модуль фотоэлектрический [1], состоящий из множества фотопреобразователей, соединенных друг с другом и расположенных между слоями поливинилбутираля, и покрытый с фронтальной стороны упрочненным стеклом, а с тыльной стороны герметизирующей пленкой, отличающийся тем, что в качестве герметизирующей пленки применен комбинированный материал, состоящий из двух наружных слоев ламинированной полиэтилентерефталатной пленки, толщиной 60-70 мкм каждый, центрального слоя из алюминиевой фольги, толщиной 100-150 мкм и прилегающих к нему двух слоев полиэтиленовой пленки толщиной 5-10 мкм каждый, однако, КПД остается 10% и волновой диапазон преобразования достаточно узкий.

Известен кремниево-полимерный фотоэлектрический модуль для низких широт и способ его изготовления [2], который является наиболее близким техническим аналогом к заявленному изобретению. 1. Кремниево-полимерный фотоэлектрический модуль, выполненный на основе монокристаллического кремния, покрытого проводящей полимерной пленкой из смеси полимеров, отличающийся тем, что монокристаллический кремний покрыт пленкой из двух проводящих полимеров полисиланоанилина и полианилина, модифицированных анионным комплексом хлорида меди [CuCl₄]^2- при массовом соотношении вышеуказанных полимеров 2:10 соответственно.

2. Способ изготовления кремниево-полимерного фотоэлектрического модуля по п.1, отличающийся тем, что готовый фотоэлектрический модуль, выполненный на основе монокристаллического кремния в виде пластины, в качестве рабочего электрода опускают в гальваническую ванну с раствором, состоящим из 2,3 молярного раствора (моль/л) соляной кислоты и смеси мономеров анилина и силаноанилина с добавкой 0,1 молярного водного раствора хлорида меди (II), классификацией не ниже ЧДА, и в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах 10,5-12,4 B и -5,5-(-7,2) В синтезируют полимерную смесь до образования на рабочем электроде полимерного покрытия из смеси двух проводящих полимеров полисиланоанилина и полианилина в массовых соотношениях 2:10 соответственно, которая модифицирована анионным комплексом хлорида меди [CuCl₄]^2-. Недостатком данного способа, несмотря на широкий диапазон преобразования длин волн, является низкое КПД.

Техническая задача заключается в создании способа изготовления полимерного фотоэлектрического модуля с высоким КПД преобразования электромагнитной энергии в электрическую.

Сущность заявленного технического решения согласно настоящему изобретению заключается в том, что основой полимерного фотоэлектрического модуля является допированная пленка проводящего полимера полианилина. Полианилин допирован гетерополианионным комплексом 2-18 ряда, имеющим химическую формулу [P₂W₁₈O₆₂]^6-. Допированная пленка полианилина (см. рисунок) 1 нанесена на тонкий прозрачный проводящий слой, который может состоять из оксида индия (III) или оксида олова (IV) 2, который в свою очередь напылен на кварцевое стекло или какой-либо другой материал 3, который обладает высокими пропускными способностями для электромагнитных волн в диапазоне от 3·10^-2 до 4·10^-6 см, то есть в диапазоне инфракрасного, видимого и частично ультрафиолетового света. Данный материал с напыленным проводящим слоем и полианилиновой пленкой образует один из электродов фотоэлектрического модуля. Второй противоэлектрод, который служит одновременно задней стенкой изделия, может быть выполнен из таких проводящих материалов, как хром, нержавеющая сталь или свинец 4. К данному электроду с наружной стороны прикреплены термогенераторы 5 с воздушными или водяными радиаторами для отвода тепла 6, соединенные между собой электрическими последовательно-параллельными цепями 7, в зависимости от применения данного модуля в конкретном устройстве. Электроды скрепляются между собой боковыми стенками, которые могут быть выполнены из любого неагрессивного диэлектрического материала 8, например, из фторопласта. Между электродами заливается водный электролит, содержащий смесь водорастворимых неорганических солей. pH электролита 9 может варьироваться от 5 до 3. Токосъемы прикреплены соответственно к проводящему материалу с полимерной пленкой и к проводящей задней стенке изделия, а также к выходным клеммам термогенераторов 10, образуя тем самым две независимые электрические цепи.

Внешнее электромагнитное излучение (см. рисунок) 11, попадая на кварцевое стекло или другой прозрачный материал, частично проходит сквозь него и сквозь тонкий прозрачный проводящий слой, состоящий из оксида индия (III) или оксида олова (IV), на который нанесена допированная пленка полианилина. При взаимодействии электромагнитного излучения с допированной полимерной пленкой начинаются окислительно-востановительные процессы, которые сопровождаются изменением заряда анионного комплекса и перехода электронов в раствор непосредственно с самого полианилина. При этом возникает разность потенциалов с противоэлектродом и при нагрузке между двумя электродами возникает электрический ток. В ходе работы фотоэлектрического модуля под воздействием силы тока и электромагнитной энергии происходит нагревание электролита и электродных материалов. Для того чтобы снять дополнительную электрическую энергию и повысить КПД полимерного фотоэлектрического модуля, на задней стенке противоэлектрода установлены термогенераторы с радиаторами и часть отведенного тепла превращается в электрическую энергию. Таким образом, с изделия можно снимать электрическую энергию сразу по двум независимым цепям. Предложенный дополнительный способ съема электрической энергии через термогенераторы может быть использован и в других известных на сегодняшний день фотоэлектрических модулях, тем самым повышая их КПД. Для отвода возможно образующихся газов в боковых полимерных стенках могут быть созданы газопроницаемые мембраны или сбросные клапана в зависимости от конкретного исполнения изделия. Изготовление полимерного фотоэлектрического модуля производят следующим образом. Проводящее стекло, проводящим слоем которого является напыленный тонкий слой оксида индия (III) или оксида олова (IV), опускают в гальваническую ванну с раствором, состоящим из 1,3 (моль/литр) молярного раствора соляной кислоты, анилина и гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющего химическую формулу H₆[P₂W₁₈O₆₂]^6- . Массовое соотношение между анилином и гетерополикислотой соответствует 20:1. После этого в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах в диапазонах 13,7-17,8 B и от -7,3-(-8,4) B синтезируют полимер до образования на стекле, которое является рабочим электродом, полимерного покрытия, состоящего из полианилина, допированного гетерополианионом, имеющим формулу [P₂W₁₈O₆₂]^6-. После чего проводящее стекло с нанесенной полианилиновой пленкой, допированной анионным комплексом, высушивают и помещают в корпус, как показано на рисунке, проводящей пленкой вовнутрь. Напротив проводящего стекла устанавливают проводящие электроды, которые служат противоэлектродом и могут являться задней стенкой самого корпуса. С наружной стороны к электродам прикрепляются термогенераторы с воздушными или водяными радиаторами для отвода тепла. Ко всем электродам, в том числе и к электродам термогенераторов прикрепляются токосъемы. Между проводящим стеклом с полимерной пленкой и противоэлектродом оставляют зазор 10-50 мм, далее скрепляют их между собой диэлектрическими полимерными материалом. Между проводящим стеклом с допированной полианилиновой пленкой и противоэлектродом заливается электролит. После чего изделие герметизируют.

Пример изготовления полимерного фотоэлектрического модуля.

Для изготовления полимерного фотоэлектрического модуля было выбрано кварцевое стекло (180×170 мм), на которое был напылен с одной стороны тонкий прозрачный проводящий слой оксида олова (IV). Далее стекло опустили в гальваническую ванну с раствором, состоящим из 1,3 моль/литр раствора соляной кислоты, анилина и гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющего химическую формулу H₆[P₂W₁₈O₆₂]. Массовое соотношение между анилином и гетерополикислотой составляет 20:1. После чего в режиме потенциостатического циклирования при потенциалах в диапазонах 13,7-17,8 B и -7,3-(-8,4) В синтезировали полимер, состоящий из допированного полианилина, имеющего химическую формулу [P₂W₁₈O₆₂]^6-. После чего проводящее стекло с нанесенной полианилиновой пленкой, допированной анионным комплексом, высушили и поместили в металлический корпус (см. рисунок) проводящей пленкой вовнутрь. Напротив проводящего стекла установили проводящие электроды, выполненные из свинца, которые одновременно являются задней стенкой корпуса. С наружной стороны к свинцовым электродам прикрепили термогенераторы с воздушными радиаторами для отвода тепла. Ко всем электродам, включая и электроды от термогенераторов, подсоединили токосъемы. Между проводящим стеклом с полимерной пленкой и свинцовыми противоэлектродами сделали зазор 40 мм и скрепили их между собой диэлектрическими материалами, выполненными из фторопласта. Пространство между проводящим стеклом с допированной полимерной пленкой и противоэлектродами заполнили электролитом, состоящим из смеси водорастворимых неорганических слабокислых солей (pH 4). После чего изделие загереметизировали. Собранный полимерный фотоэлектрический модуль был испытан при стандартных условиях освещения, спектр АМ-1,5, 1000 Вт/м² при температуре 25°C.Суммарная выходная мощность с учетом электрической энергии, снятой с термогенераторов, составила 21 Вт.

Вывод. Предлагаемое изобретение позволяет изготавливать фотоэлектрические модули для преобразования электромагнитной энергии в электрическую в диапазоне волн от 3·10^-2 до 4·10^-6 см.

Источники информации

1. Пат. РФ №2086046, H01L 31/04.

2. Пат. РФ №2381595, H01L 31/04.