×
11.06.2018
218.016.614c

Фотосенсибилизатор для солнечных элементов

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотосенсибилизаторам для металлоксидных солнечных элементов. Фотосенсибилизатор представляет собой 4-[(Е)-[(2Е)-3-[4-(диметиламино)фенил]проп-2-ен-1-илиден]амино]бензойную кислоту. Фотосенсибилизатор получают одностадийным синтезом при комнатной температуре взаимодействием диметиламинокоричного альдегида (ДМАК) с эквимолярным количеством 4-аминобензойной кислоты в безводной среде. Использование заявленного фотосенсибилизатора в конструкции металлоксидного солнечного элемента позволяет получить значения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, близкие к значениям КПД, полученным для солнечных элементов на основе известного дорогостоящего стандартного рутениевого фотосенсибилизатора. 4 ил., 1 табл., 1 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области солнечной энергетики, конкретно - к фотосенсибилизаторам для металлоксидных солнечных элементов, и может быть использовано для создания солнечных элементов (СЭ), в частности солнечных элементов на основе диоксида титана, с улучшенными потребительскими характеристиками.

Известно, что рабочие характеристики современных солнечных элементов (СЭ) во многом зависят от прочности и эффективности контакта между поверхностью полупроводника, используемого в конструкции СЭ, и красителем, используемым в качестве сенсибилизатора. Химические структуры органических красителей, используемых в качестве сенсибилизаторов в СЭ, кроме фрагмента, выполняющего функцию хромофора, включают электронодонорные группы, участвующие в фотоиндуцированном внутримолекулярном переносе заряда, а также электроноакцепторные группы, играющие роль т.н. «закрепляющей» группы, функция которых состоит в образовании прочных ковалентных связей красителя с поверхностью полупроводника, например мезопористого диоксида титана, используемого в конструкции СЭ. Прочность таких связей уменьшается в ряду функциональных групп -СООН, -SO3H, -РО3Н2, -ВО2Н2, -SH, -ОН.

Наилучшие фотогальванические характеристики СЭ были получены при использовании в качестве фотосенсибилизаторов рутениевых комплексов с полипиридилом, содержащих карбоксильные группы [M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachoppouloc, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 6382]. К ним относятся красный краситель, представляющий собой цис-бис(изотиоцианато)бис(2,2'-бипиридил-4,4'-дикарбоксилато)-рутений(II) бис-тетрабутил-аммоний, известный под торговыми названиями Рутений 535-бисТВА, N719 или В2, и черный краситель - трис(изотиоцианато)-рутений(II)-2,2':6',2"-терпиридин-4,4',4"-трикарбоновая кислота, трис-тетрабутиламмониевая соль, известный как Рутений 620-1Н1ТВА, Рутений 620 или N-749. Однако комплексная технико-экономическая эффективность использования рутениевых комплексов в конструкции СЭ существенно снижается из-за их высокой стоимости, поэтому продолжаются исследования в области создания фотосенсибилизаторов для использования в фотовольтаических преобразователях, направленные, главным образом, на поиск недорогих, доступных, не содержащих в своем составе редкоземельных или благородных металлов красителей, которые могли бы обеспечить получение СЭ с приемлемыми потребительскими характеристиками.

Описан краситель, предназначенный для использования в солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах, содержащий в своей структуре замещенные карбазольные группы US 2015294797 А1, опубл. 19.06.2015. В заявке WO 2014006544 А2, 09.01.2014 в качестве сенсибилизатора для СО предложено использовать молекулярные структуры на основе гидразина, содержащие в качестве электронодонорного фрагмента N-арилзамещенные группы, в качестве акцептора - по меньшей мере, одну углерод-углерод или углерод-гетероатом двойную связь и/или карбо- или гетероциклическое кольцо, π - конъюгированное с донорной группой. В патенте RU 2490746 С2, опубл. 20.08.2013, описаны варианты красителей, содержащие в молекулярной структуре в качестве закрепляющей группы -СООН, -SO3H, -РО3Н2, и др., а хромофор представляет собой производное скварилиевого красителя или производное крокониевого красителя, которое способно поглощать свет с длиной волны видимого и/или ИК-диапазона. В заявке US 2015294797 А1, опубл. 15.10.2015, предложен фоточувствительный органический краситель для использования в СЭ, молекулярная структура которого включает закрепляющую группу, в том числе карбоксильную или карбоксифенильную, электронодонорную группу, представляющую собой атом азота, замещенный арильными или полиарильными радикалами, а также расположенную между ними ацетиленовую связь, соединенную с ароматическим звеном, содержащим один или несколько замещенных или незамещенных арильных радикалов, и так называемый линкер, который связывает хромофорную структуру с закрепляющей группой.

Общим недостатком перечисленных и большинства других известных решений является сложность предлагаемых структур, многостадийность их химического синтеза, и, как следствие, их дороговизна и малодоступность для широкого использования.

Важной задачей, направленной на снижение стоимости производства СЭ, является поиск доступных и стабильных красителей с интенсивным поглощением в видимой области солнечного спектра. Этим требованиям удовлетворяет большой ряд красителей разных классов, содержащих концевую первичную аминогруппу или альдегидную группу. Недостатком этих групп является неспособность образовывать прочные связи с мезопористым диоксидом титана.

В качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения принято техническое решение, описанное в L. Giribabu et al., Ind. J of Chem., March 2006, v. 45A, p. 629-634, в котором в качестве красителя для сенсибилизированных красителями солнечных элементов предложено использовать 2-[3-(4-диметиламино-фенил)-аллилиден]-малоновую кислоту. Соединение устойчиво при температуре до 100°С, характеризуется высоким молярным коэффициентом экстинкции и может быть легко получено и очищено.

Недостатком является низкое значение эффективности преобразования солнечной энергии при его использовании в МО СЭ.

Технической задачей изобретения является разработка органического фотосенсибилизатора для металлоксидного солнечного элемента, получаемого простым химическим синтезом из недорогих доступных реагентов.

Технический результат от реализации заявленного изобретения заключается в обеспечении получения значений эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, близких к значениям КПД, показанным для солнечных элементов на основе дорогостоящего стандартного рутениевого сенсибилизатора, что позволяет получать металлоксидные солнечные элементы с высокими потребительскими характеристиками.

Технический результат достигается тем, что фотосенсибилизатор для металлоксидного солнечного элемента представляет собой 4-[(Е)-[(2Е)-3-[4-(диметиламино)фенил]проп-2-ен-1-илиден]амино]бензойную кислоту, далее упоминаемую для простоты под названием «краситель SBD» (Schiff Base Dye).

На фиг. 1 показана структурная формула красителя SBD.

На фиг. 2 показан УФ спектр поглощения красителя SBD в безводном этаноле.

На фиг. 3 в качестве примера приведена вольтамперная характеристика образца СЭ на основе диоксида титана, сенсибилизированного красителем SBD.

Как видно из фиг. 1, в качестве закрепляющей группы структура содержит карбоксильную группу, обеспечивающую наиболее прочную ковалентную связь красителя с поверхностью полупроводника, донором электронов является диметиламинная группа, а π-сопряженная система, включающая два фенильных кольца, соединенных сопряженными двойными связями С=С и N=C, играет роль хромофора.

Краситель SBD, представляющий собой основание Шиффа, получают одностадийным синтезом при комнатной температуре взаимодействием диметиламинокоричного альдегида (ДМАК) с эквимолярным количеством 4-аминобензойной кислоты в безводной среде.

Пример получения красителя SBD: 0,5 г ДМАК растворяют в абсолютизированном этиловом спирте и к слабоокрашенному коричневому раствору при комнатной температуре добавляют 0,46 г 4-аминобензойной кислоты. Сразу же после добавления 4-аминобензойной кислоты раствор приобретает интенсивную красно-коричневую окраску. Сухой красно-коричневый порошок красителя SBD получают выпариванием этанола в роторном испарителе.

Полученный краситель может быть без дальнейшей очистки использован в конструкции металлоксидного солнечного элемента.

Как видно из фиг. 2, на которой приведен УФ спектр поглощения красителя SBD в этаноле, краситель характеризуется наличием двух полос поглощения: интенсивное поглощение в диапазоне 300-400 нм и менее интенсивный пик поглощения в диапазоне 400-500 нм.

Образцы МО СЭ на основе диоксида титана, включающие предлагаемый сенсибилизатор, получены, как описанно в работе S. Ito, T.N. Murakami, P. Comte, P. Liska, et al. Fabrication of thin film dye sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over 10%. Thin Solid Thilms, 2008, 516, p. 4613-4619.

Измерения фотоэлектрических параметров трех полученных лабораторных образцов МО СЭ на основе диоксида титана, сенсибилизированных красителем SBD, проведены с использованием имитатора солнечного излучения Abet Technologies, который позволяет освещать образец спектром солнечного света интенсивностью 1000 Вт/м2 (100 мВт/см2). Измерения вольтамперных характеристик образцов МО СЭ проведены с помощью установки для анализа электрических характеристик полупроводников Keithley 4200-SCS (Keithley, США). Результаты измерений приведены в таблице 1. В качестве параметров, характеризующих полученные фотосенсибилизаторы, приведены значения тока короткого замыкания (ISC), напряжения холостого хода (VOC), фактора заполнения (FF) и КПД преобразования энергии. Для сравнения в табл. 1 приведены характеристики солнечных элементов, содержащих в качестве фотосенсибилизатора краситель по ближайшему аналогу и известный рутениевый краситель N719.

В качестве иллюстрации на фиг. 3 показана вольтамперная характеристика образца №3 МО СЭ, приготовленного, как описано выше, сенсибилизированного красителем SBD. Были получены следующие значения фотоэлектрических параметров: ток короткого замыкания Isc=15,8 мА/см2, напряжение холостого хода Voc=0,750 В, фактор заполнения (FF)=0,69. Эффективность данного образца МО СЭ составила 8,2%.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что использование предлагаемого фотосенсибилизатора позволяет получить металлоксидные солнечные элементы, в которых эффективность преобразования энергии может превышать 10%.

Таким образом, использование заявленного фотосенсибилизатора в конструкции металлоксидного солнечного элемента позволяет получить значения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, близкие к значениям КПД, полученным для солнечных элементов на основе дорогостоящего стандартного рутениевого сенсибилизатора и значительно превосходящие значения КПД для ближайшего аналога.

Пример 1

Синтезированный краситель SBD был исследован методом ИК-спектроскопии для подтверждения химической структуры. Как видно из фиг. 4, на которой приведен ИК-спектр поглощения красителя SBD, в спектре наблюдается полоса поглощения в области 1620 см-1, характерная для азометиновой (C=N) группы. Полученный результат свидетельствуют о том, что краситель SBD действительно является основанием Шиффа. В ИК-спектре также наблюдаются полосы поглощения в диапазоне 1310-1370 см-1, характерные для диметиламиновой группы ((СН3)2-N-), что подтверждает структуру красителя SBD, приведенную на фиг. 4.


Фотосенсибилизатор для солнечных элементов
Фотосенсибилизатор для солнечных элементов
Фотосенсибилизатор для солнечных элементов
Фотосенсибилизатор для солнечных элементов
Фотосенсибилизатор для солнечных элементов
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 63 items.
26.08.2017
№217.015.e958

Катализатор изодепарафинизации углеводородного сырья с10+ для получения низкозастывающих масел и дизельных топлив и способ получения низкозастывающих масел и топлив с его использованием

Изобретение относится к области катализа и нефтепереработки, в частности к составу и способу приготовления катализатора изодепарафинизации, а также способу получения низкозастывающих масел или дизельных топлив путем преимущественной изомеризации н-парафинов углеводородного сырья с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627770
Дата охранного документа: 11.08.2017
19.01.2018
№218.016.08a3

Гидравлическое масло арктического назначения

Гидравлическое масло арктического назначения с улучшенными низкотемпературными свойствами, предназначено для использования в гидравлических системах строительно-дорожных машин, экскаваторах, бульдозерах, снегоходах, буровых установках и другой технике, которая должна сохранять работоспособность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631659
Дата охранного документа: 26.09.2017
20.01.2018
№218.016.15bc

Способ получения депрессорной присадки к дизельному топливу и депрессорная присадка к дизельному топливу

Изобретение относится к области нефтепереработки и нефтехимии. Описан способ получения депрессорной присадки к дизельному топливу. Проводят реакцию радикальной сополимеризации малеинового ангидрида и широкой фракции 1-олефинов C-C при соотношении исходных реагентов от 1:0,92 до 1:3,7. Реакцию...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002635107
Дата охранного документа: 09.11.2017
04.04.2018
№218.016.36aa

Способ получения мезопористой наноструктурированной пленки металло-оксида методом электростатического напыления

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлооксидных солнечных элементов, сенсоров, систем запасания энергии, катализаторов. Для получения мезопористой наноструктурированной пленки металлооксида методом электростатического напыления напыляемый материал помещают в контейнер с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646415
Дата охранного документа: 05.03.2018
10.05.2018
№218.016.3c8d

Способ получения диспергирующей присадки к дизельному топливу и диспергирующая присадка к дизельному топливу

Изобретение относится к области нефтепереработки и нефтехимии, в частности к способу получения диспергирующей присадки к дизельному топливу. Проводят реакцию метатезисной сополимеризации функционализированного норборнена и циклоолефина и 1-гексена в качестве агента переноса цепи в присутствии...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647858
Дата охранного документа: 21.03.2018
10.05.2018
№218.016.4120

Сенсибилизированный красителем металлооксидный солнечный элемент

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к созданию устройств для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием сенсибилизированных красителем металлооксидных солнечных элементов (МО СЭ). Наиболее успешно настоящее изобретение может быть...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649239
Дата охранного документа: 30.03.2018
09.06.2018
№218.016.5f51

Способ получения синтетической нефти

Настоящее изобретение относится к способу получения синтетической нефти из продуктов синтеза Фишера-Тропша, включающий гидрирование смеси синтетических углеводородов в реакторе с неподвижным слоем никельсодержащего катализатора в токе газа гидрирования, включающего моноксид углерода и водород....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656601
Дата охранного документа: 06.06.2018
01.07.2018
№218.016.697c

Способ получения циклопентана

Изобретение относится к способу получения циклопентана, включающему последовательно осуществляемые частичное и исчерпывающее гидрирование циклопентадиена в растворителе в присутствии катализатора. Способ характеризуется тем, что частичное гидрирование ведут при температуре 10…40°С, давлении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659227
Дата охранного документа: 29.06.2018
10.07.2018
№218.016.6ee7

Способ определения величины максимального горизонтального напряжения нефтегазового пласта

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для определения величины максимального горизонтального напряжения в продуктивных пластах нефтегазовых месторождений для выбора оптимальной технологии бурения и эксплуатации скважин. Способ включает проведение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660702
Дата охранного документа: 09.07.2018
12.07.2018
№218.016.6fd8

Катализатор защитного слоя для процесса гидроочистки

Катализатор защитного слоя для процесса гидроочистки нефтяных фракций, содержащий, масс. %: оксид молибдена - 2,5-6,0, оксид кобальта или никеля - 1,0-3,0, оксид натрия - 0,9-1,2, оксид алюминия – остальное. Технический результат заключается в увеличении продолжительности межрегенерационного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660904
Дата охранного документа: 11.07.2018
Showing 1-9 of 9 items.
12.01.2017
№217.015.5b96

Способ математического прогнозирования тяжести течения трихиниллёза

Изобретение относится к медицине, а именно к инфекционным болезням, и может быть использовано для прогнозирования тяжести течения трихинеллеза. Определяют максимальную температуру тела, наличие миокардита, отеков лица, боли при движении языка, уровень эозинофилии. Проводят балльную оценку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589656
Дата охранного документа: 10.07.2016
25.08.2017
№217.015.aa02

Способ получения функционального оттиска после резекции верхней челюсти

Изобретение относится к области медицины, в частности к стоматологии, и предназначено для использования при изготовления протеза-обтуратора для пациентов с частичной резекцией верхней челюсти и полным отсутствием зубов. Получают оттиск альгинатной массой полости рта пациента, по которому...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002611734
Дата охранного документа: 28.02.2017
25.08.2017
№217.015.bf28

Солнечный фотоэлектрический модуль со стационарным концентратором (варианты)

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием концентраторов солнечного излучения, и может быть использовано в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617041
Дата охранного документа: 19.04.2017
25.08.2017
№217.015.c777

Индивидуальная ложка

Изобретение относится к области медицины, в частности к стоматологии, и может быть использовано для изготовления протеза-обтуратора при всех видах резекции челюсти. Индивидуальная ложка из жесткой пластмассы содержит базис, выполненный с возможностью перекрывать оставшиеся зубы и проходить по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618894
Дата охранного документа: 11.05.2017
26.08.2017
№217.015.e5e8

Тандемный металлооксидный солнечный элемент

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики. Тандемный металлооксидный солнечный элемент содержит два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного металлооксида, имеющих общий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626752
Дата охранного документа: 31.07.2017
04.04.2018
№218.016.36aa

Способ получения мезопористой наноструктурированной пленки металло-оксида методом электростатического напыления

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлооксидных солнечных элементов, сенсоров, систем запасания энергии, катализаторов. Для получения мезопористой наноструктурированной пленки металлооксида методом электростатического напыления напыляемый материал помещают в контейнер с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646415
Дата охранного документа: 05.03.2018
10.05.2018
№218.016.4120

Сенсибилизированный красителем металлооксидный солнечный элемент

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к созданию устройств для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием сенсибилизированных красителем металлооксидных солнечных элементов (МО СЭ). Наиболее успешно настоящее изобретение может быть...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649239
Дата охранного документа: 30.03.2018
08.04.2019
№219.016.fe8e

Способ перкутанной аспирационной пункционной биопсии печени у крыс

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной медицине и ветеринарии. После предоперационной подготовки пальпаторно определяют мечевидный отросток и край правой реберной дуги. При помощи скальпеля с градуированной линейкой откладывают интервал 2 см от нижнего края мечевидного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684195
Дата охранного документа: 04.04.2019
01.09.2019
№219.017.c501

Металлооксидный солнечный элемент

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии. Предложен металлооксидный солнечный элемент на основе наноструктурированных слоев металлооксида, сенсибилизированного поглощающей свет субстанцией, включающий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002698533
Дата охранного документа: 28.08.2019
+ добавить свой РИД