Сонячний елемент на основі оксиду міді. Сонячний елемент на основі оксиду міді

US20140060639A1. Нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах. Патенти Google

Номер публікації US20140060639A1 US20140060639A1 US13/828, 320 US201313828320A US2014060639A1 US 20140060639 A1 US20140060639 A1 US 20140060639A1 US 201313828320 A US201313828320 A US 201313828320A US 2014060639 A1 US2014060639 A1 US 2014060639A1 Влада США Сполучені Штати Америки Рівень техніки ключові слова серцевина оболонка нанокристалічний тип напівпровідник напівпровідниковий оксид міді Дата подання заявки 2012-08-31 Правовий рівень (Правовий рівень. це припущення, а не юридичний висновок. Компанія Google не проводила юридичного аналізу і не робить жодних заяв щодо точності вказаного статусу.) Відкликана заявка № US13/828,320 Винахідник Ейтан Хаїм Зейра Вольфганг Адам Мак, молодший (Eitan Chaim Zeira Wolfgang Adam Mack, Jr.). Molly DOYLE Поточний правонаступник (Перераховані правонаступники можуть бути неточними. Компанія Google не проводила юридичного аналізу і не надає жодних запевнень чи гарантій щодо точності цього списку.) OneSun LLC Первісний правонаступник OneSun LLC Дата пріоритету (Дата пріоритету є припущенням і не є юридичним висновком. Компанія Google не проводила юридичного аналізу і не робить жодних заяв щодо точності вказаної дати.) 2012-08-31 Дата подання 2013-03-14 Дата публікації 2014-03-06 Заявлений пріоритет від US201261696049P зовнішній пріоритет 2013-03-14 Заявка подана OneSun LLC Критичний OneSun LLC 2013-03-14 Пріоритет до US13/828, 320 пріоритет Критичний патент/US20140060639A1/en 2013-08-28 Пріоритет до РСТ/US2013/057145 пріоритет патент/WO2014036179A2/en 2014-03-06 Публікація публікації US20140060639A1 Критичний патент/US20140060639A1/en 2014-05-14 Переуступлено OneSun, LLC переуступка OneSun, LLC ПЕРЕУСТУПКА ПРАВА ЗАЦІКАВЛЕНОСТІ ЗАЦІКАВЛЕНОСТІ ЗАЦІКАВЛЕНОСТІ ЗАЦІКАВЛЕНИХ ОСІБ (ДЕТАЛЬНІША ІНФОРМАЦІЯ НАДЗВИЧАЙНА В ДОКУМЕНТАХ). Цесіонарії: МАК, ВОЛЬФГАНГ АДАМ, МОЛОДШИЙ., ZEIRA, EITAN CHAIM, DOYLE, Molly Статус Покинутий юридичний статус Критичний стан

Посилання

  • QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N оксид міді Хімічна група [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 назва формули реферат опис 224
  • 239000002159 нанокристалічні речовини 0.000 назва формули винаходу реферат опис 148
  • 239000005751 Речовини оксиду міді 0.000 назва реферат опис 88
  • 229910000431 оксид міді Неорганічні матеріали 0.000 назва реферат опис 88
  • BERDEBHAJNAUOM-UHFFFAOYSA-N Купрум(І) оксид Хімічна сполука [Cu]O[Cu] BERDEBHAJNAUOM-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули винаходу реферативний опис 164
  • 229960004643 Оксид купруму Лікарські засоби 0.000 пунктів формули винаходу реферат 154
  • 239000004065 напівпровідникові речовини 0.000 пунктів формули винаходу реферативний опис 102
  • 239000002245 частинки Речовини 0.000 пунктів формули реферативний опис 98
  • GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N оксид титану Хімічна сполука O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули реферат опис 84
  • 229940112669 оксид купруму Речовини 0.000 пунктів формули винаходу реферат опис 66
  • 239000004408 титану діоксид Речовини 0.000 пунктів формули винаходу реферат 14
  • 238000002347 способи введення 0.000 пунктів формули опис 44
  • 239000007924 ін’єкційна речовина Речовини 0.000 пунктів формули, опис 44
  • 239000004020 провідникові речовини 0.000 пунктів формули опис 42
  • 229910052751 метал Неорганічні матеріали 0.000 пунктів формули винаходу опис 22
  • 239000002184 металічні речовини 0.000 пунктів формули опис 22
  • -1 полі(3,4-етилендіокситіофен) Полімери 0.000 опис 20
  • 239000000758 підкладка Речовини 0.000 пунктів формули опис 20
  • 229920001609 Полі(3,4-етилендіокситіофен) Полімери 0.000 пунктів формули 18
  • XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N оксид цинку Хімічна сполука [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули опис 16
  • 239000000203 суміш Речовини 0.000 пунктів формули опис 14
  • OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N TiO Неорганічні матеріали [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули опис 8
  • MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Хімічна сполука O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули 8
  • OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N вуглець Хімічна сполука [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 пунктів формули 8
  • 239000006229 технічний вуглець Речовини 0.000 пунктів формули опис 8
  • 229910001929 оксид титану Неорганічні матеріали 0.000 пунктів формули 8
  • 239000011787 оксид цинку Речовини 0.000 пунктів формули опис 8
  • 229910001928 оксид цирконію Неорганічні матеріали 0.000 пунктів формули 8
  • 229910044991 оксид металу Неорганічні матеріали 0.000 пунктів формули 6
  • 150000004706 оксиди металів Хімічний клас 0.000 пунктів формули 6
  • 239000006096 абсорбент Речовини 0.000 реферат опис 20
  • 239000011257 матеріал оболонки Речовини 0.000 опис 134
  • 230000037230 рухливість Ефекти 0.000 опис 38
  • 239000000463 матеріал Речовини 0.000 опис 36
  • 235000010215 титану діоксид Живильна речовина 0.000 опис 30
  • XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N кремній Хімічна сполука [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 16
  • 229910052710 кремній Неорганічні матеріали 0.000 опис 16
  • 239000010703 кремній Речовини 0.000 опис 16
  • AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N індій; оксотин Хімічна сполука [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 10
  • 238000006243 хімічна реакція Методи 0.000 опис 8
  • LFQSCWFLFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N етанол Хімічна сполука CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 8
  • KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N ізо-пропанол Хімічна сполука CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 8
  • 238000000034 метод Методи 0.000 опис 8
  • 238000005215 рекомбінація Методи рекомбінації 0.000 опис 8
  • 239000006185 дисперсія Речовини 0.000 опис 6
  • 238000009826 Методи розповсюдження 0.000 опис 6
  • 239000007921 розпилювальні речовини 0.000 опис 6
  • XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N вода Речовини O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 6
  • OPQARKPSCNTWTJ-UHFFFAOYSA-L Купрум(ІІ) ацетат Хімічна сполука [Cu2].CC([O-])=O.CC([O-])=O OPQARKPSCNTWTJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 опис 4
  • VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N Ізопропоксид титану Хімічна сполука CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 4
  • 238000007792 методи додавання 0.000 опис 4
  • 230000015572 біосинтетичний процес Ефекти 0.000 опис 4
  • 239000002131 композитний матеріал Речовини 0.000 опис 4
  • 239000010949 мідь Речовини 0.000 опис 4
  • 230000002708 підсилюючий Ефекти 0.000 опис 4
  • 230000003647 окислення Ефекти 0.000 опис 4
  • 238000007254 реакція окислення Методи 0.000 опис 4
  • 230000001590 Окислювальні ефекти 0.000 опис 4
  • 239000001301 кисень Речовини 0.000 опис 4
  • MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N кисень Хімічна сполука O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 4
  • 229910052760 кисень Неорганічні матеріали 0.000 опис 4
  • OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N прекурсор Речовини N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 4
  • 230000001603 відновлювальний Ефекти 0.000 опис 4
  • 238000006722 реакція відновлення Методи 0.000 опис 4
  • 239000007787 тверді речовини 0.000 опис 4
  • 239000000243 розчин Речовини 0.000 опис 4
  • 238000005118 розпилювальний піроліз Методи 0.000 опис 4
  • 238000003786 реакція синтезу Методи 0.000 опис 4
  • 230000002194 синтез Ефекти 0.000 опис 4
  • 239000011800 пустий матеріал Речовини 0.000 опис 4
  • 241000219430 Betula pendula Вид 0.000 опис 2
  • 241000212941 Глечики Вид 0.000 опис 2
  • ILVXOBCQQYKLDS-UHFFFAOYSA-N Піридин-N-оксид Хімічна сполука [O-][N]1=CC=CC=C1 ILVXOBCQQYKLDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 238000000862 спектр поглинання Методи 0.000 опис 2
  • 239000011149 діюча речовина Речовини 0.000 опис 2
  • PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Хімічна сполука [O-2].[O-2].[O-2].[Al3].[Al3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 239000011324 бісер Речовини 0.000 опис 2
  • 230000005540 біологічна передача Ефекти 0.000 опис 2
  • 230000000903 блокування Ефекти 0.000 опис 2
  • 239000000969 носій Речовини 0.000 опис 2
  • 239000011248 покривний агент Речовини 0.000 опис 2
  • 238000000576 метод нанесення покриття Методи 0.000 опис 2
  • 150000001875 сполуки Хімічний клас 0.000 опис 2
  • RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N мідь Хімічна сполука [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 229910052802 мідь Неорганічні матеріали 0.000 опис 2
  • 230000000875 відповідний Ефекти 0.000 опис 2
  • 238000010192 кристалографічна характеристика Методи 0.000 опис 2
  • 238000009792 дифузійний процес Методи 0.000 опис 2
  • 239000002019 допінг-агент Речовини 0.000 опис 2
  • 230000000694 ефекти Ефекти 0.000 опис 2
  • 230000005684 електричне поле Ефекти 0.000 опис 2
  • 238000011049 способи заповнення 0.000 опис 2
  • 238000007429 загальний метод Методи 0.000 опис 2
  • 230000005525 транспортування отворів Ефекти 0.000 опис 2
  • 239000001257 водень Речовини 0.000 опис 2
  • UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N водень Хімічна сполука [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 229910052739 водень Неорганічні матеріали 0.000 опис 2
  • 238000001027 гідротермальний синтез Методи 0.000 опис 2
  • 239000012535 домішки Речовини 0.000 опис 2
  • 239000012212 ізолятор Речовини 0.000 опис 2
  • 229910001338 рідкі метали Неорганічні матеріали 0.000 опис 2
  • 238000004519 виробничий процес Методи 0.000 опис 2
  • VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N метан Хімічна сполука C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 238000000386 методи мікроскопії 0.000 опис 2
  • 239000002105 наночастинки Речовини 0.000 опис 2
  • 229910000480 оксид нікелю Неорганічні матеріали 0.000 опис 2
  • QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N неоксидотритунгстен Хімічна сполука O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 230000003000 нетоксичний Ефекти 0.000 опис 2
  • 231100000252 нетоксичний Токсичність 0.000 опис 2
  • 238000005580 реакція в одному посуді Методи 0.000 опис 2
  • 239000007800 окислювач Речовини 0.000 опис 2
  • GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N оксонікель Хімічна сполука [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 238000002161 методи пасивації 0.000 опис 2
  • 238000010791 Методи гартування 0.000 опис 2
  • 238000001338 самостійна збірка Методи 0.000 опис 2
  • 239000000126 речовина Речовини 0.000 опис 2
  • 229910001930 оксид вольфраму Неорганічні матеріали 0.000 опис 2
  • GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N Діоксид ванадію Хімічна сполука O=[V]=O GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 опис 2
  • 229910001935 оксид ванадію Неорганічні матеріали 0.000 опис 2

Зображення

Класифікації

  • H. ЕЛЕКТРИКА
  • H01. ЕЛЕКТРИЧНІ ЕЛЕМЕНТИ
  • H01L. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ, НЕ ВКЛЮЧЕНІ ДО КЛАСУ H10
  • H01L31/00. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або оброблення чи їх частин; їх деталі
  • H01L31/0248. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або обробки, або їх частин; їх частини, що характеризуються їх напівпровідниковими корпусами
  • H01L31/0256. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або обробки, або їх частин; їх деталі, що характеризуються напівпровідниковим корпусом, який характеризується матеріалом
  • H01L31/0264. неорганічні матеріали
  • H01L31/032. неорганічні матеріали, що включають, крім легуючих матеріалів або інших домішок, тільки сполуки, не передбачені в групах H01L31/0272. H01L31/0312
  • H. ЕЛЕКТРИКА
  • H01. ЕЛЕКТРИЧНІ ЕЛЕМЕНТИ
  • H01L. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ, НЕ ВКЛЮЧЕНІ ДО КЛАСУ H10
  • H01L31/00. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або обробки, або їх частин; їх деталі
  • H01L31/0248. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або обробки, або їх частин; їх частини, що характеризуються їх напівпровідниковим корпусом
  • H01L31/0352. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для виготовлення або обробки цих приладів або їхніх частин; їхні деталі, що характеризуються напівпровідниковими корпусами, які характеризуються їхньою формою або формами, відносними розмірами чи розташуванням напівпровідникових областей
  • H01L31/035209. Напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання коротшої довжини хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для їх виготовлення або обробки, або їх частин; їх частини, що характеризуються напівпровідниковим корпусом, який характеризується його формою, або формами, відносними розмірами чи розташуванням напівпровідникових областей, які становлять квантові структури
  • H01L31/035218. напівпровідникові прилади, чутливі до інфрачервоного випромінювання, світла, електромагнітного випромінювання з меншою довжиною хвилі або корпускулярного випромінювання і спеціально пристосовані або для перетворення енергії такого випромінювання в електричну енергію, або для керування електричною енергією за допомогою такого випромінювання; способи або пристрої, спеціально пристосовані для виготовлення або обробки цих приладів або їх частин; деталі цих приладів, що характеризуються їх напівпровідниковими корпусами, які характеризуються їх формою або формами, відносними розмірами чи розташуванням напівпровідникових областей, які становлять квантові структури, причому квантова структура являє собою квантові точки
  • H. ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГІЯ
  • H01. ЕЛЕКТРИЧНІ ЕЛЕМЕНТИ
  • H01G. КОНДЕНСАТОРИ; КОНДЕНСАТОРИ, ВИПРЯМЛЯЧІ, ДЕТЕКТОРИ, КОМУТАЦІЙНІ ПРИСТРОЇ АБО СВІТЛОЧУТЛИВІ ПРИСТРОЇ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНОГО ТИПУ
  • H01G9/00. Електролітичні конденсатори, випрямлячі, детектори, комутаційні пристрої, світлочутливі або термочутливі пристрої; способи їх виготовлення
  • H01G9/20. світлочутливі прилади
  • H01G9/2027. Світлочутливі прилади, що містять оксидний напівпровідниковий електрод
  • H01G9/2036. Світлочутливі пристрої, що містять оксидний напівпровідниковий електрод, який складається зі змішаних оксидів, e.g. Частинки TiO2, покриті ZnO
  • H. ЕЛЕКТРИКА
  • H10. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ; ЕЛЕКТРИЧНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ, В ІНШОМУ МІСЦІ НЕ ЗАЗНАЧЕНІ
  • H10K. ОРГАНІЧНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ТВЕРДОТІЛЬНІ ПРИЛАДИ
  • H10K85/00. Органічні матеріали, використовувані в корпусі або електродах пристроїв, що охоплюються цим підкласом
  • H10K85/10. Органічні полімери або олігомери
  • H10K85/111. органічні полімери або олігомери, що містять ароматичні, гетероароматичні або арильні ланцюги, н.в.і.у.g. поліанілін, поліфенілен або поліфеніленвінілен
  • H10K85/113. гетероароматичні сполуки, що містять сірку або селен, е.g. політіофен
  • H10K85/1135. Поліетилендіокситіофен [PEDOT]; його похідні
  • Y. ЗАГАЛЬНЕ МАРКУВАННЯ НОВИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РОЗРОБІТ; ЗАГАЛЬНЕ МАРКУВАННЯ ПЕРЕХРЕСТНИХ ТЕХНОЛОГІЙ, ЩО ОХОПЛЮЮТЬ ДЕКІЛЬКА РОЗДІЛІВ МПК; ТЕХНІЧНІ ОБ’ЄКТИ, ЩО ПОКРИВАЮТЬСЯ КОЛИШНІМИ ПЕРЕХРЕСТНИМИ СЛУЖБОВИМИ ЗБІРНИКАМИ ІЗОБРАЖЕНЬ І ДІАГРАМАМИ USPC
  • Y02. ТЕХНОЛОГІЇ АБО ЗАСТОСУВАННЯ ДЛЯ ПОМ’ЯКШЕННЯ НАСЛІДКІВ ЗМІНИ КЛІМАТУ АБО АДАПТАЦІЇ ДО НИХ
  • Y02E. СКОРОЧЕННЯ ВИКИДІВ ПАРНИКОВИХ ГАЗІВ [GHG], ПОВ’ЯЗАНИХ З ВИРОБНИЦТВОМ, ПЕРЕДАЧЕЮ АБО РОЗПОДІЛОМ ЕНЕРГІЇ
  • Y02E10/00. виробництво енергії з використанням відновлюваних джерел енергії
  • Y02E10/50. фотоелектрична [PV] енергія
  • Y02E10/542. Сенсибілізовані барвником сонячні елементи

Анотація

Дана заявка стосується нанокристала оксиду міді з оболонкою з оксиду міді (CuO), що оточує серцевину з оксиду купруму (Cu2O). Нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою можуть бути використані як фотопоглиначі у фотоелектричних елементах. Нанокристали оксиду міді ядро/оболонка утворюють напівпровідниковий шар p-типу, який покриває і заповнює міжшарові проміжки напівпровідникової мезопористої структури n-типу у фотоелектричному елементі. Напівпровідниковий шар n-типу може включати, наприклад, частинки діоксиду титану (TiO2).

Опис

Ця заявка претендує на перевагу U.S. попередня патентна заявка Ser. No. 61/696,049, подано серпень. 31, 2012, розкриття якого цим документом включено шляхом посилання в повному обсязі.

Дане розкриття в цілому відноситься до фотоелектричних пристроїв, і більш конкретно до використання нанокристалів ядра/оболонки оксиду міді у фотоелектричних елементах (e.g., сонячні елементи) або інші елементи (е.g., кремнієві елементи).

Фотоелектричні елементи, такі як сонячні батареї, були в центрі уваги досліджень протягом багатьох років. Див. Dittrich et al., “Концепції неорганічних твердотільних наноструктурованих сонячних елементів.” Матеріали сонячної енергії Сонячні елементи 95 (2011): 1527-1536. Поточні пристрої зазвичай досягають, в кращому випадку, середньої ефективності 7%. Нещодавно була досягнута більш висока ефективність близько 10% завдяки використанню високомобільних, з низькою шириною забороненої зони і розчинних кристалів CsSnI в якості діркового провідника/поглинача. див. Chung et al., “Всі твердотільні сенсибілізовані барвником сонячні елементи з високою ефективністю.” Nature 485 (2012). Цей матеріал, однак, нестабільний на повітрі.

Інші матеріали також розглядалися для використання в якості фотоелектричного поглинача. Наприклад, попередні спроби використовувати Cu2O в якості фотоелектричного поглинача призвели до низької щільності струму через рекомбінацію на межах зерен в шарі оксиду міді. Бугаринович та ін., “Сонячні елементи. нові аспекти та рішення; оксид купруму як активний матеріал для сонячних елементів.” InTech, Рієка, 2011; B. P. Рай, “Сонячні елементи на основі Cu2O: A Review”, Solar Cells 25/3 (1988): 265-272; Етуотер та ін., “Тонкі, вільно стоячі підкладки Cu2O за допомогою термічного окислення для фотоелектричних пристроїв.” 38-а конференція фахівців IEEE з фотовольтаїки, IEEE (2012).

Таким чином, в даній області техніки потрібен матеріал, який може бути використаний в якості поглинача в фотоелектричних пристроях, таких як сонячні батареї, який має високу мобільність і високу стабільність.

Дане розкриття задовольняє цю потребу, забезпечуючи нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою, які мають високу рухливість і високу стабільність, для використання в якості поглинача у фотоелектричних пристроях (наприклад, у фотоелектричних.g., сонячні батареї) та інші пристрої (наприклад.g., кремнієві елементи).

В одному з аспектів надається нанокристал, який включає серцевину, що складається з оксиду купруму (Cu2O), і оболонку, що складається з оксиду купруму (CuO). Оболонка може мати товщину від 2 нм до 20 нм. Нанокристал може мати розмір між 5 нм і 50 нм. Відношення діаметра серцевини до товщини оболонки може відповідати відношенню діркової рухливості серцевини до діркової рухливості оболонки. Наприклад, в одному з варіантів відношення діаметра серцевини до товщини оболонки становить 10-75:0.1-5. У певних варіантах реалізації відношення діаметра серцевини до товщини оболонки становить від 10:0.1 і 75:0.1, між 15:0.1 і 70:0.1, між 20:0.1 і 60:0.1, між 30:0.1 і 50:0.1, від 10:1 до 75:1, від 15:1 до 70:1, від 20:1 до 60:1, від 30:1 до 50:1, або від 10:1 до 30:1, від 20:1 до 50:1, або від 40:1 до 75:1. В інших варіантах відношення діаметра серцевини до товщини оболонки становить приблизно 10:0.1, приблизно 10:5, приблизно 75:0.1, близько 75:5, близько 10:1, близько 20:1, близько 30:1, близько 40:1, близько 50:1, близько 60:1 або близько 70:1. Оболонка може повністю або частково оточувати серцевину. В одному з варіантів нанокристал може бути по суті сферичним. В інших варіантах нанокристал може існувати в різних інших формах і формах, включаючи, наприклад, стрижні, куби, диски, піраміди, призми і овоїди.

В іншому аспекті передбачено пристрій, який включає напівпровідниковий шар p-типу і напівпровідниковий шар n-типу. Напівпровідниковий шар p-типу включає безліч нанокристалів, в яких кожен нанокристал має ядро, що складається з Cu2O, і оболонку, що складається з CuO. Напівпровідниковий шар n-типу включає безліч частинок, вибраних, наприклад, з частинок діоксиду титану, частинок оксиду цинку, частинок оксиду цирконію і будь-яких їх комбінацій. В одному варіанті пристрій може додатково включати металевий електрод і шар інжекції дірок, причому шар інжекції дірок знаходиться між металевим катодом і шаром напівпровідника p-типу. Шар інжекції дірок може, наприклад, складатися з полі(3,4-етилендіокситіофену) (PEDOT), сажі або їх комбінації. В іншому варіанті пристрій може додатково включати полімерну підкладку, прозорий провідник і шар інжекції електронів. Прозорий провідник нанесений на полімерну підкладку. Шар інжекції електронів знаходиться між напівпровідниковим шаром n-типу і прозорим провідником і може, наприклад, складатися з оксиду титану. Описаний тут пристрій має середню ефективність принаймні 7%. У деяких варіантах пристрій може являти собою фотоелектричний елемент.

Дане розкриття можна найкраще зрозуміти з посиланням на наступний опис, взятий у поєднанні з супровідними фігурами, на яких подібні частини можуть бути позначені подібними цифрами.

НА ФІГ. 2 зображено частину зразкового фотоелектричного елемента з нанокристалами серцевини/оболонки з оксиду міді, що заповнюють міжшарові проміжки мезопористої структури з діоксиду титану;

ФІГ. 3 зображено зразковий інтеейс між нанокристалами ядро/оболонка оксиду міді та частинками діоксиду титану;

У наступному описі викладено численні конкретні конфігурації, параметри і тому подібне. Слід визнати, однак, що такий опис не призначений для обмеження обсягу цього винаходу, а натомість надається як опис зразкових варіантів реалізації.

Тут представлені нанокристали оксиду міді серцевина/оболонка для використання у фотоелектричних пристроях, таких як сонячні елементи. Ці нанокристали мають серцевину з оксиду міді (Cu2O) та оболонку з оксиду міді (CuO), яка принаймні частково оточує серцевину. Ця структура Cu2O/CuO має переваги завдяки високій мобільності Cu2O та стабільності CuO.

Cu2O. нетоксичний, дешевий, поширений в землі матеріал з ідеальною забороненою зоною і великою довжиною дифузії неосновних носіїв, що робить його бажаним поглиначем для сонячних елементів. Однак, як обговорювалося вище, Cu2O як фотоелектричний поглинач призводить до низької густини струму через рекомбінацію на границях зерен в шарі оксиду міді. Наявність шару CuO, що оточує матеріал Cu2O, може захистити високорухливий оксид міді від відновлення, але також зменшує рекомбінацію і збільшує густину струму в двошаровій фотоелектрохімічній комірці. Інтеейс Cu/Cu2O утворює бар’єр Шотткі, який зменшує транспорт заряду і призводить до низької ефективності перетворення сонячних елементів. З іншого боку, CuO є більш стабільною формою оксиду міді, але має низьку рухливість і не може використовуватися тільки як шар для транспортування дірок.

Хоча CuO природним чином утворюється на поверхні Cu2O, товщина шару цього “рідного” оксиду, як правило, менше 1 нм. Див. e.g., Applied Surface Science 255 (2008) 2730-2734; A. Скоро та ін., Surface Science 601 (2007) 5809-5813. Частинки Cu2O з нативним шаром CuO на поверхні не забезпечують пасивацію і перенесення заряду, які були б придатні для використання у фотоелектричних застосуваннях. Спроби подальшого окислення Cu2O зазвичай призводять до утворення змішаної фази, яка зустрічається в об’ємі, що також робить такий матеріал непридатним для використання у фотоелектричних пристроях. Див. додаток А. O. Musa, T. Akomolafe і M. J. Картер, Сол. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 51, стор. 305-316, 1998. Показано, що присутність змішаної фази Cu2O/CuO гасить фотоелектричний ефект. Див. д.g., S. Sunkara, et al., Каталізатор. Today (2012).

На відміну від відомих з рівня техніки матеріалів Cu2O, тут представлено нанокристали Cu2O з оболонкою CuO завтовшки від 2 нм до 20 нм. У деяких варіантах реалізації частинки Cu2O/CuO зазвичай мають розмір від 5 нм до 50 нм. Використання таких нанокристалів оксиду міді серцевина/оболонка з певною товщиною оболонки CuO несподівано покращує як стабільність, так і ефективність отриманих фотоелектричних елементів.

З посиланням на FIG. 1. Зразковий нанокристал 100 має ядро 102, оточене оболонкою 104. Нанокристалічне ядро, оточене оболонкою, називається нанокристалом “ядро/оболонка”. Термін “ядро” відноситься до внутрішньої частини нанокристала. Сердечник 102 складається з Cu2O. Сердечник може містити домішки. Наприклад, домішка може бути розміщена в матеріалі, що утворює серцевину. Термін “оболонка” відноситься до другого матеріалу, який оточує серцевину. Оболонка 104 складається з CuO. У певних варіантах реалізації оболонка 104 може додатково включати один або більше матеріалів, які за своєю суттю є напівпровідниками і стабільними. Наприклад, оболонка може додатково включати оксид нікелю, оксид вольфраму, оксид алюмінію, оксид ванадію, оксид цирконію або будь-які їх комбінації.

У той час як FIG. 1 зображено оболонку 104, що повністю оточує серцевину 102, слід розуміти, що в інших примірних варіантах реалізації оболонка може частково оточувати серцевину. Таким чином, оболонка може бути “повною”, що вказує на те, що оболонка повністю оточує зовнішню поверхню ядра. Крім того, оболонка може бути “неповною”, що вказує на те, що оболонка частково оточує зовнішню поверхню ядра.

Розмір нанокристала залежить від діаметра ядра і товщини оболонки. З посиланням на Фігуру. 1. нанокристал 100 має розмір 110, при цьому серцевина 102 має діаметр 108, а оболонка 104 має товщину 106. Наприклад, сферичний нанокристал оксиду міді може мати загальний розмір 10 нм, з ядром Cu2O діаметром 6 нм, оточеним оболонкою CuO товщиною 2 нм. У певних варіантах нанокристал має розмір між 5 нм і 50 нм, між 5 нм і 40 нм, між 5 нм і 30 нм, між 5 нм і 20 нм, між 5 нм і 20 нм, між 5 нм і 10 нм, між 5 нм і 7 нм, між 10 нм і 50 нм, між 10 нм і 40 нм, між 10 нм і 30 нм, між 10 нм і 20 нм, між 10 нм і 20 нм, між 10 нм і 20 нм, між 15 нм і 50 нм, між 15 нм і 40 нм, між 15 нм і 30 нм або між 15 нм і 20 нм.

Посилання на “між” двома значеннями або параметрами в цьому документі включає (і описує) варіанти, які включають заявлене значення або параметр як такий. Наприклад, опис, що посилається на “між x та y”, включає опис “x” та “y”.

Коли ядро має сферичну форму, як показано на фіг. 1. термін “діаметр” має загальноприйняте значення. Однак слід розуміти, що серцевина (і, отже, нанокристал) може мати різноманітні форми, включаючи, наприклад, стрижні, куби, диски, піраміди, призми та яйцеподібні форми. Коли серцевина має несферичну форму, термін “діаметр” відноситься до радіуса обертання, в якому може поміститися вся несферична серцевина.

Розмір і форма нанокристалів можуть змінюватися в залежності від умов (e.g., pH, температура), що використовується для приготування нанокристалів. Див. e.g., Ke Xin Yao et al., “Синтез, самозбірка, розбирання та повторна збірка двох типів нанокристалів Cu2O, уніфікованих площинами 001 або 001”, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6131-6144; Jingqu Tian et al., “Зелений гідротермальний синтез в одному горщику композитів CuO-Cu2O-Cu, прикрашених нанострижнями відновленого оксиду графему, та їх застосування для генерації фотоструму”, Catal. Sci. Технол. 2012; U.S. Pat. Ні. 7,851,338; U.S. Pat. Ні. 7,825,405; U.S. Pat. Ні. 7,402,832.

Слід розуміти, що товщина оболонки може бути різною. У деяких варіантах оболонка може мати товщину від 2 нм до 20 нм, від 3 нм до 20 нм, від 4 нм до 20 нм, від 5 нм до 20 нм, від 6 нм до 20 нм, від 7 нм до 20 нм, від 8 нм до 20 нм, від 9 нм до 20 нм, від 10 нм до 20 нм, від 11 нм до 20 нм, від 12 нм до 20 нм, від 13 нм до 20 нм, від 14 нм до 20 нм, від 15 нм до 20 нм, від 5 нм до 15 нм, від 5 нм до 15 нм або від 5 нм до 10 нм. У деяких варіантах реалізації, як показано на Фіг. 1. оболонка може мати рівномірну товщину. В інших варіантах оболонка може мати нерівномірну товщину. Наприклад, на поверхні осердя можуть утворюватися скупчення матеріалу оболонки.

Товщина оболонки CuO може бути обрана таким чином, щоб забезпечити баланс між захистом серцевини Cu2O від подальших реакцій відновлення і уникненням створення занадто великого опору. Цей баланс можна описати відношенням діаметру осердя до товщини оболонки. У деяких варіантах це відношення може відповідати відношенню діркової рухливості ядра до діркової рухливості оболонки. “Діркова рухливість” описує швидкість, з якою електрони можуть рухатися через напівпровідниковий матеріал, коли їх витягує електричне поле. Рухливість дірок може бути виражена в одиницях см2/(В.s). Наприклад, в одному зразковому варіанті реалізації, якщо серцевина Cu2O має діркову рухливість 10 см2/(V.с), а оболонка CuO має діркову рухливість 1 см2/(В.с), відношення діаметра серцевини до товщини оболонки становить 10 до 1 (i.e., оболонка товщиною 1 нм на ядрі діаметром 10 нм). Відношення діаметра серцевини до товщини оболонки може змінюватися. У певних варіантах виконання відношення діаметру сердечника до товщини оболонки становить 10-75:0.1-5. Рухливість дірок в серцевині та оболонці може змінюватися в залежності від методів підготовки серцевини та оболонки. Фактори, які впливають на рухливість дірок, можуть включати, наприклад, рівень легування, а також рН і температурні умови, при яких готують серцевину і оболонку.

Крім того, легування може бути застосоване для мінімізації зміщення валентної зони між шарами серцевини та оболонки. Провідність заряду від частинки до частинки є переважно дірковою, оскільки валентна зона CuO/Cu2O збігається, тоді як розрив між зонами провідності виключає електронну провідність. CuO зазвичай має валентну зону 5.42 еВ, тоді як Cu2O має валентну зону 5.25 еВ, які роблять можливим діркову провідність від частинки до частинки. Чим ближче ці валентні зони розташовані одна до одної, тим менші втрати опору, ймовірно, будуть мати місце.

Описані в цьому документі нанокристали оксиду міді серцевина/оболонка можуть бути синтезовані будь-якими відповідними методами. Наприклад, в одному варіанті реалізації надаються або готуються нанокристали Cu2O, які потім можуть бути прожарені при 400 ° C. протягом 1 години в умовах навколишнього середовища, щоб сформувати поверхню CuO, що оточує принаймні частину нанокристала Cu2O. Див. е.g., Z. Чжан і П. Ван. “Високостабільний композит оксиду міді як ефективний фотокатод для розщеплення води за допомогою стратегії простого електрохімічного синтезу.” Журнал хімії матеріалів 22 (2012): 2456. Отриманий нанокристал з ядром Cu2O та оболонкою CuO можна потім повторно подрібнити в бісерному млині, щоб розбити агломерати. Слід розуміти, що для досягнення контрольованого окислення нанокристала Cu2O з утворенням поверхні CuO, що оточує принаймні частину нанокристала Cu2O, можуть також застосовуватися інші відповідні методи. Такі методи можуть включати, наприклад, додавання контрольованих кількостей м’яких окислювачів, таких як триметиламіно N-оксид або піридин N-оксид.

З рівня техніки відомі способи та прийоми отримання частинок оксиду міді за допомогою полум’яного піролізу з розпиленням. Див. д.g., Chiang, C-Y et al, Intl. J. Воднева енергетика 37 (2012) 4871-4879. У певних варіантах нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою, описані в цьому документі, можуть бути отримані в двоступеневому процесі піролізу полум’яним розпиленням, де спочатку використовують відновлювальні умови для створення об’ємної фази Cu2O з розпилення рідкого металевого прекурсора. Зростаючі частинки згодом піддаються більш окислювальному впливу, щоб контролювати ріст фази CuO зовнішньої оболонки. Швидкість потоку центрального розпилювача і швидкість потоку газу кисень/метан можуть впливати на товщину утвореної оболонки CuO. Наприклад, для отримання оболонки CuO товщиною від 2 нм до 20 нм відношення швидкості потоку кисню до швидкості польоту прекурсору може становити від 2:1 до 3:1. Крім того, загальний час польоту частинки може визначити загальний розмір частинки. Наприклад, для отримання нанокристалів розміром від 5 нм до 50 нм відстань між розпилювачем і фільтром, який збирає частинки, може становити від 5 см до 1 фута.

Розмір, форма і розподіл нанокристалів оксиду міді можуть бути визначені будь-яким відповідним методом, відомим в даній галузі. Наприклад, лазерне розсіювання або сошниковий лічильник можуть бути використані для визначення дисперсії частинок. Мікроскопія атомної форми може бути використана для визначення пористості та щільності частинок, нанесених на підкладку.

Описані тут нанокристали оксиду міді серцевина/оболонка можуть бути використані у фотоелектричних пристроях. Такі фотоелектричні пристрої можуть включати, наприклад, сонячні елементи, сенсибілізовані барвниками (DSSC), або кремнієві елементи. Див. е.g., B. E. Хардін та ін., “The renaissance of dye-sensitized solar cells”, Nature Photonics, Vol. 6, березень 2012: 162-169; R. Мотойоші та ін., “Виготовлення та характеристика напівпровідникових сонячних елементів на основі системних сполук міді”, адв. в Mat. Sc. та англ., Vol. 2010, Article ID 562842 (11 сторінок). Наприклад, нанокристали оксиду міді серцевина/оболонка можуть бути використані в DSSC в якості фотоелектричного поглинача та/або інтеейсного шару для забезпечення відповідної енергетичної структури між поглиначем фотонів оксиду міді та напівпровідником n-типу (e.g., TiO2 напівпровідник).

Використання нанокристалів оксиду міді, описаних в цій статті, підвищує ефективність фотоелектричних пристроїв. У деяких варіантах пристрій має середню ефективність принаймні 7%, принаймні 10%, принаймні 15%, принаймні 20%, принаймні 25%, принаймні 30%, принаймні 40% або принаймні 50%. У деяких варіантах пристрій має середню ефективність від 7% до 90%, від 7% до 80%, від 10% до 50%, від 10% до 30% або від 20% до 70%. У цьому документі під “ефективністю” мається на увазі відсоток фотонів, перетворених в електрони. Ефективність може бути визначена шляхом вимірювання рівня потужності, яка може бути виражена в мВт/см2. Наприклад, якщо сонце виробляє 100 мВт/см2, а пристрій виробляє 15 мВт/см2, пристрій можна описати як такий, що має ефективність 15%.

З посиланням на Фіг. 4. зразковий фотоелектричний елемент 400 включає полімерну підкладку 402, прозорий провідник 404, шар інжекції електронів 406, напівпровідник n-типу 408, напівпровідник p-типу 410, шар інжекції дірок 412 та електрод 414. Кожен компонент фотоелектричного елемента 400 описаний більш детально нижче. Слід розуміти, що в інших зразкових фотоелектричних елементах деякі з цих компонентів можуть бути опущені або замінені іншими відповідними компонентами, або у фотоелектричних елементах можуть бути присутніми додаткові компоненти.

Полімерна підкладка 402 служить основою для всіх наступних шарів з покриттям. У деяких варіантах полімерна підкладка може мати стабільність розмірів, що становить менше 1% усадки при 150° C.

Прозорий провідник 404 забезпечує можливість проходження світла до клітини, одночасно слугуючи електричним провідником для збору електронів, що генеруються в клітині на аноді. У деяких варіантах прозорий шар провідника може мати принаймні 85% пропускання у видимому діапазоні. В інших варіантах прозорий провідник може мати листовий опір менше 10 МОм/□.

Шар інжекції електронів 406 (також відомий як шар електронного інтеейсу або шар, що блокує дірки) є шаром транспорту електронів n-типу, який може ізолювати прозорий провідник від ненавмисного контакту з напівпровідником p-типу 410. У деяких варіантах реалізації шар інжекції електронів електронно узгоджує енергію зони провідності напівпровідника n-типу з енергією зони провідності прозорого провідника. Наприклад, в одному варіанті напівпровідник n-типу з частинками TiO2 може мати енергію забороненої зони 4.2 еВ, шар електронної інжекції з частинками оксиду титану (TiOx) може мати енергію забороненої зони 4.4 еВ, а прозорий провідник, що складається з оксиду індію-олова (ITO), може мати енергію забороненої зони 4.7 еВ.

Напівпровідник n-типу 408 служить для захоплення електронів з напівпровідника p-типу 410 і транспортування електронів до прозорого провідника 404. У деяких варіантах реалізації напівпровідник n-типу складається з матеріалу для транспортування електронів з великою забороненою зоною з енергетичним рівнем валентної зони, який є більш електронегативним, ніж зона провідності шару напівпровідника p-типу. В одному варіанті реалізації висока ширина забороненої зони може мати значення більше 3 еВ. В іншому варіанті більш електронегативний може означати принаймні 0.3 еВ. В інших варіантах матеріал, з якого складається шар напівпровідника n-типу, може також мати рухливість електронів понад 50 см2/(V.s).

В одному варіанті напівпровідник n-типу включає множину частинок TiO2. Для напівпровідника n-типу можуть бути використані інші відповідні матеріали, включаючи, наприклад, частинки оксиду цинку і частинки оксиду цирконію. Ці частинки зазвичай утворюють мезопористу структуру.

Частинки, що складають напівпровідник n-типу, можуть мати різні розміри. Частинки в межах одного шару можуть бути однакового розміру або різного розміру. “Розмір” частинки в напівпровіднику n-типу відноситься до діаметру частинки. Коли частинка має сферичну форму, термін “діаметр” є загальноприйнятим. Частинки можуть мати різноманітні форми, включаючи, наприклад, стрижні, кубики, диски, піраміди, призми та яйцеподібні тіла. Коли частинка має несферичну форму, термін “діаметр” відноситься до радіуса обертання, в якому може поміститися вся несферична частинка.

Множинність частинок, що складають напівпровідник n-типу, може мати розподіл за розмірами. Наприклад, в одному варіанті розмір множини частинок може відноситися до середнього розміру частинок. Наприклад, коли частинки є частинками TiO2, в деяких варіантах реалізації частинки можуть мати розмір від 100 нм до 200 нм.

Напівпровідник p-типу 410 служить для створення електронно-діркових пар, передачі електронів напівпровіднику n-типу 408 і проведення дірок до електрода 414. У деяких варіантах напівпровідник p-типу складається з матеріалу з низькою шириною забороненої зони з високою рухливістю дірок. В одному варіанті низька ширина забороненої зони становить менше 2 еВ. В іншому варіанті висока рухливість дірок відноситься до принаймні 25 см2/(В.s).

В одному варіанті реалізації напівпровідник n-типу включає безліч нанокристалів оксиду міді, описаних в цьому документі. Зокрема, кожен нанокристал має серцевину, що складається з Cu2O, і оболонку, що складається з CuO.

Безліч нанокристалів оксиду міді може мати розподіл за розмірами. Наприклад, в одному варіанті розмір множини нанокристалів оксиду міді може відноситися до середнього розміру нанокристалів. Розмір нанокристалів оксиду міді в напівпровідниковому шарі p-типу може бути пропорційний розміру частинок в напівпровідниковому шарі n-типу. Наприклад, в одному варіанті, де шар напівпровідника n-типу складається з частинок TiO2, розмір нанокристалів оксиду міді становить від ⅓ до ⅕ розміру частинок TiO2.

З посиланням на фіг. 2. в одному з примірних варіантів нанокристали оксиду міді 204 покривають верхню поверхню мезопористої структури 202 з TiO2 і заповнюють міжшарові проміжки в мезопористій структурі 202 з TiO2. Нанокристали оксиду міді можуть повністю покривати верхню поверхню мезопористої структури TiO2, як показано на Фіг. 2. В інших варіантах нанокристали оксиду міді можуть частково покривати верхню поверхню мезопористої структури TiO2.

Нанокристали оксиду міді можуть заповнювати від 0% до 100% порожнечі в напівпровіднику n-типу. У деяких варіантах нанокристали оксиду міді заповнюють щонайменше 20%, щонайменше 30%, щонайменше 40%, щонайменше 50%, від 20% до 100% або від 20% до 40% порожнечі в напівпровіднику n-типу. Для більш повного заповнення міжвузлових проміжків у напівпровіднику n-типу можуть бути застосовані різні способи та методи. Наприклад, в одному з варіантів розчин ацетату міді (II) може бути нанесений на напівпровідник n-типу з подальшим термічним перетворенням з утворенням CuO.

Крім того, в деяких варіантах на деякі частинки напівпровідника n-типу може бути нанесений інтеейсний шар, щоб забезпечити кращу інжекцію заряду між напівпровідниками p-типу і n-типу. З посиланням на FIG. 3. Частинка TiO2 302, що контактує з нанокристалом оксиду міді 306, може бути частково покрита на межі розділу з шаром 304. У деяких варіантах цей шар може складатися з полі(3,4-етилендіокситіофену) (PEDOT), сажі або їх комбінації.

шар інжекції дірок 412 (також відомий як шар інтеейсу дірок) служить для перенесення дірок з шару напівпровідника p-типу на електрод 414. Інжекційний шар може складатися з діркового провідника з високою робочою функцією та достатньо високою поверхневою енергією, щоб забезпечити покриття металевого провідника поверх нього. Наприклад, дірковий провідник має принаймні 5 еВ. Приклади матеріалів, придатних для шару інжекції отворів, включають полі(3,4-етилендіокситіофен) (PEDOT), сажу або їх комбінацію.

Електрод 414. це металевий електрод або, точніше, катод. Електродом може бути суцільний метал або металеві пластівці, які збирають дірки. Електрод 402 може мати високу провідність для проведення отворів на велику відстань від комірки до комірки і за межі модуля для виконання роботи. Наприклад, електрод 402 може мати листовий опір принаймні 1Ω/□.

Фотоелектричний пристрій 400 може включати інші компоненти, загальновідомі в даній області техніки, необхідні для створення функціонуючого пристрою. Наприклад, інші компоненти можуть включати міжклітинний з’єднувач 416. Крім того, між комірками існує зазор 418 для забезпечення послідовного з’єднання між комірками. Покриті ізолятори 420 і 422 розділяють комірки.

Для створення фотоелектричного пристрою, такого як фотоелектрична комірка, з нанокристалами оксиду міді серцевина/оболонка, описаними в цьому документі, можуть бути застосовані різні методи і способи. Наприклад, в одному варіанті реалізації, плівка з покриттям оксиду індію-олова (ITO) (e).g., OC36 від Technimet) спочатку надається. Тоді, 0.Готують 1% ізопропоксид титану в етанолі та воді, наносять поверх плівки з покриттям ITO і дають висохнути при 120° C. протягом 3 хвилин. Отриманий стек покривається 20% твердих речовин P25 в ізопропіловому спирті (IPA) і дисперсією 5 нм від Solaronix, яка потім сушиться при 120 ° C. протягом 5 хвилин. На цей стек наноситься дисперсія наночастинок оксиду міді/оболонки (як описано вище) у воді, яка затвердіває при 120° C. на 5 хвилин, покриті PEDOT s305, розведеним етанолом, і висушені при 120° C. протягом 5 хвилин. Срібний верхній електрод надрукований, наприклад, за допомогою хімікатів Sun SOL305, запечених при 120 ° C. протягом 10 хвилин.

В інших примірних варіантах нанокристали оксиду міді ядро/оболонка, описані в цьому документі, можуть бути покриті зверху стандартним кремнієвим елементом в архітектурі тандемного типу, щоб розширити спектр поглинання отриманого пристрою, і, отже, підвищити його ефективність фотоелектричного перетворення. Такий тандемний пристрій, наприклад, може складатися зі стандартного кремнієвого елемента з p/n переходом з додаванням нанокристалічного шару оксиду міді, покритого зверху, а також верхніх електродних пальців або сітчастого металевого провідника, які збирають заряди.

Наприклад, в одному варіанті нанокристали оксиду міді серцевина/оболонка, описані в цьому документі, можуть бути покриті поверх першого переходу, наприклад.g., стандартний кремнієвий перехід, який в основному поглинає світло в діапазоні довжин хвиль, відмінному від діапазону довжин хвиль, що поглинається другим переходом, який використовує поглинаючий шар нанокристалічного оксиду міді серцевина/оболонка. Використовуючи структуру рекомбінаційного шару між двома переходами тандемного сонячного елемента (e.g., тунельний перехід) як Voc, так і Jsc можуть бути оптимізовані таким чином, щоб підвищити ефективність фотоелектричного перетворення в порівнянні з відповідними характеристиками одноперехідних сонячних елементів. Наприклад, такий тандемний сонячний елемент може включати стандартний кремнієвий p/n перехід з тонким узгодженим тунельним діодом типу діода Есакі, нанесеним або покритим поверх кремнієвого p/n переходу. Послідовно може бути нанесений шар оксиду міді p-типу ядро/оболонка, за яким може слідувати шар вікна з великою забороненою зоною n-типу, наприклад, титану або оксиду цинку. Нарешті, наноситься верхній електрод, який може складатися з металевих пальців або металевої сітки, які збирають заряди.

Пункти формули ( 15 )

оболонку, що складається з оксиду міді (CuO), причому оболонка оточує принаймні частину серцевини, і причому оболонка має товщину від 2 нм до 20 нм, і

Нанокристал за п. 1. де серцевина має діаметр, де серцевина і оболонка незалежно одна від одної мають діркову рухливість, і де відношення діаметра серцевини до товщини оболонки відповідає відношенню діркової рухливості серцевини до діркової рухливості оболонки.

Нанокристал за п. 1. в якому серцевина має діаметр, і в якому відношення діаметра серцевини до товщини оболонки становить 10-75:0.1-5.

напівпровідниковий шар p-типу, де напівпровідниковий шар p-типу складається з множини нанокристалів, де кожен нанокристал складається з ядра, що містить оксид купруму (Cu2O), і оболонки, що містить оксид міді (CuO); і

напівпровідниковий шар n-типу, де напівпровідниковий шар n-типу містить множину частинок оксиду металу.

Пристрій за п. 7. де частинки оксиду металу вибрані з групи, що складається з частинок діоксиду титану, частинок оксиду цинку, частинок оксиду цирконію та будь-яких їх комбінацій.

шар інжекції дірок, де шар інжекції дірок розташований між металевим катодом і напівпровідниковим шаром p-типу.

Пристрій за п. 10. де шар інжекції дірок включає полі(3,4-етилендіокситіофен) (PEDOT), сажу або їх комбінацію.

шар інжекції електронів, де шар інжекції електронів знаходиться між шаром напівпровідника n-типу і прозорим провідником.

US13/828,320 2012-08-31 2013-03-14 Нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах Анульовано US20140060639A1 ( en )

Пріоритетні заявки (2)

Номер заявки Дата пріоритету Дата подання Назва
US13/828,320 US20140060639A1 ( en ) 2012-08-31 2013-03-14 Нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах
PCT/US2013/057145 WO2014036179A2 (en) 2012-08-31 2013-08-28 Нанокристали оксиду міді з серцевиною/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах

Заявки, що претендують на пріоритет (2)

Номер заявки Пріоритет Дата подання Дата подання Назва
US201261696049P 2012-08-31 2012-08-31
US13/828,320 US20140060639A1 ( en ) 2012-08-31 2013-03-14 Нанокристали з ядром/оболонкою з оксиду міді для використання у фотоелектричних елементах

Сімейні заявки (1)

Номер заявки Назва Дата пріоритету Дата подання
US13/828,320 Відмовлено US20140060639A1 ( en ) 2012-08-31 2013-03-14 Нанокристали оксиду міді з серцевиною/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах

Цитується за (10)

Цитується експертом, † Цитується третьою стороною

Номер публікації Дата пріоритету Дата публікації Правонаступник Назва
US20150144195A1 ( en ) 2013-11-26 2015-05-28 Майкл Д. IRWIN Перовськіт та інші матеріали для сонячних елементів
WO2015153831A1 ( en ) 2014-04-04 2015-10-08 Університет Тафтса Напівпровідники на основі оксиду купруму
WO2015170987A1 ( en ) 2014-05-09 2015-11-12 Universiteit Leiden Спосіб формування листоподібного наночастинного матеріалу, електрохімічний елемент та спосіб перетворення води
WO2017031021A1 ( en ) 2015-08-14 2017-02-23 Массачусетський технологічний інститут Перовскітні сонячні елементи, що включають напівпровідникові наноматеріали
CN107326383A ( en ) 2017-05-19 2017-11-07 浙江大学 Різновид гетероперехідного фотокатода на основі оксиду купруму та спосіб його виготовлення
JP2018088480A ( en ) 2016-11-29 2018-06-07 株式会社豊田中央研究所 Сонячна батарея, модуль сонячної батареї та спосіб виготовлення сонячної батареї
US10913056B2 ( en ) 2017-07-31 2021-02-09 Honda Motor Co., Ltd. Спосіб синтезу нанокристалів міді/оксиду міді
CN112863875A ( en ) 2020-11-26 2021-05-28 南昌航空大学 Метод приготування сонячного елемента з фотоанодним барвником, сенсибілізованим оксидом олова з структурою ядро-оболонка
CN112978783A ( en ) 2021-02-19 2021-06-18 中国科学技术大学 Наноматеріал на основі оксиду купруму, спосіб його отримання та застосування
US11339487B2 ( en ) 2019-02-28 2022-05-24 Honda Motor Co., Ltd. Синергетичні ефекти багатогранних нанокристалів CU2O для електрохімічного відновлення CO2

Родини Цитування цієї родини (1)

Цитується експертом, † Цитується третьою стороною

Номер публікації Дата пріоритету Дата публікації Правонаступник Назва
CN105116030B ( en ) 2015-07-27 2017-11-03 中国海洋大学 Різновид структурованих нанокомпозитних матеріалів з ядерною оболонкою Cu2Nuclear, що складаються з половини O@CuO, та спосіб їх отримання

Цитування (3)

Цитується експертом, † Цитується третьою стороною

Номер публікації Дата пріоритету Дата публікації Правонаступник Назва
WO2011005013A2 ( en ) 2009-07-06 2011-01-13 한양대학교 산학협력단 Сонячний елемент з використанням p-i-n нанодротів
US20110227047A1 ( en ) 2010-03-22 2011-09-22 Національний університет Ченг Кунг Органічний фотоелектричний напівпровідниковий прилад та спосіб його виготовлення
US20120098028A1 ( en ) 2010-10-22 2012-04-26 Кабусікі Кайша Тошиба Фотоелектричний перетворювач та спосіб його виготовлення

Цитування патентів (4)

Цитується експертом, † Цитується третьою стороною

Номер публікації Дата пріоритету Дата публікації Правонаступник Назва
WO2011005013A2 ( en ) 2009-07-06 2011-01-13 한양대학교 산학협력단 Сонячний елемент з використанням p-i-n нанодротів
US20120097232A1 ( en ) 2009-07-06 2012-04-26 Фонд співпраці між промисловістю та університетами, Університет Ханянг Сонячний елемент на основі p-i-n нанодроту
US20110227047A1 ( en ) 2010-03-22 2011-09-22 Національний університет Ченг Кунг Органічний фотоелектричний напівпровідниковий прилад та спосіб його виготовлення
US20120098028A1 ( en ) 2010-10-22 2012-04-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Фотоелектричний перетворювач та спосіб його виготовлення

Цитується (16)

Процитовано експертом, † Процитовано третьою стороною

Номер публікації Дата пріоритету Дата публікації Правонаступник Назва
US9136408B2 ( en ) 2013-11-26 2015-09-15 Hunt Energy Enterprises, ТОВ Перовскіт та інші матеріали для сонячних елементів
US11024814B2 ( en ) 2013-11-26 2021-06-01 Hunt Perovskite Technologies, L.L.C. Багатоперехідні прилади з перовскітного матеріалу
US20150144195A1 ( en ) 2013-11-26 2015-05-28 Майкл Д. IRWIN Перовськіт та інші матеріали для сонячних елементів
US10608190B2 ( en ) 2013-11-26 2020-03-31 Hee Solar, L.L.C. Прилади зі змішаних металевих перовскітних матеріалів
US10333082B2 ( en ) 2013-11-26 2019-06-25 Hee Solar, L.L.C. Багатоперехідні прилади з перовскітного матеріалу
US10115847B2 ( en ) 2014-04-04 2018-10-30 Опікуни коледжу Тафтса Напівпровідники на основі оксиду купруму
WO2015153831A1 ( en ) 2014-04-04 2015-10-08 Університет Тафтса Напівпровідники на основі оксиду купруму
NL2012787B1 ( en ) 2014-05-09 2016-02-24 Лейденський університет Процес формування листкоподібного наночастинок, електрохімічний елемент та процес перетворення води.
WO2015170987A1 ( en ) 2014-05-09 2015-11-12 Universiteit Leiden Спосіб формування листоподібного наночастинного матеріалу, електрохімічний елемент та спосіб перетворення води
WO2017031021A1 ( en ) 2015-08-14 2017-02-23 Массачусетський технологічний інститут Перовскітні сонячні елементи з використанням напівпровідникових наноматеріалів
JP2018088480A ( en ) 2016-11-29 2018-06-07 株式会社豊田中央研究所 Сонячна батарея, модуль сонячної батареї та спосіб виготовлення сонячної батареї
CN107326383A ( en ) 2017-05-19 2017-11-07 浙江大学 Різновид гетероперехідного фотокатода на основі оксиду купруму та спосіб його приготування
US10913056B2 ( en ) 2017-07-31 2021-02-09 Honda Motor Co., ТОВ. Метод синтезу нанокристалів міді/оксиду міді
US11339487B2 ( en ) 2019-02-28 2022-05-24 Honda Motor Co., Ltd. Синергетичні ефекти багатогранних нанокристалів CU2O для електрохімічного відновлення CO2
CN112863875A ( en ) 2020-11-26 2021-05-28 南昌航空大学 Метод приготування сонячного елемента зі структурою ядро-оболонка з фотоанодним барвником, сенсибілізованим оксидом олова
CN112978783A ( en ) 2021-02-19 2021-06-18 中国科学技术大学 Наноматеріал з оксиду купруму, спосіб отримання та застосування

Схожі документи

Публікація Дата публікації Назва
US20140060639A1 ( en ) 2014-03-06 Нанокристали оксиду міді з ядром/оболонкою для використання у фотоелектричних елементах
Аджаян та ін. 2020 Огляд фотоелектричних характеристик органічних/неорганічних сонячних елементів для майбутніх технологій відновлюваної та сталої енергетики
Хайдер та ін. 2018 Комплексне моделювання перовскітного сонячного елемента з неорганічним йодидом міді як матеріалом для транспортування дірок
Сунь та ін. 2019 П’єзо-фототронний ефект підвищує ефективність гнучких перовскітних сонячних елементів
Чжан та ін. 2014 Структурна інженерія бездіркових сонячних елементів на основі перовскіту з низькотемпературно обробленою комерційною вуглецевою пастою як катодом
Сюй та ін. 2014 Інженерія поверхні наноструктур ZnO для напівпровідникових сенсибілізованих сонячних елементів
Sun et al. 2017 Тривимірні наноструктуровані електроди для ефективних сонячних елементів, сенсибілізованих квантовими точками
Фан та ін. 2009 Виклики та перспективи сонячних елементів на основі нанокомпонентів
AU2019257470A1 ( en ) 2019-11-21 Фотоелектричний пристрій
Кардозо та ін. 2012 Виготовлення коаксіальних гібридів нанодротів TiO 2/Sb 2 S 3 для ефективної наноструктурованої органічно-неорганічної тонкоплівкової фотовольтаїки
Lee et al. 2011 Твердотільні сенсибілізовані барвником сонячні елементи на основі гібридних фотоанодів з наночастинок ZnO та нанострижневих масивів
EP1176646A1 ( en ) 2002-01-30 Твердотільний гетероперехід та твердотільний сенсибілізований фотоелектричний елемент
Хонг та ін. 2019 Покращення ефективності перовскітних сонячних елементів з використанням шару оксиду олова, легованого графеном, обробленого оксидом олова, що містить азот
Фенг та ін. 2015 Тривимірні гіперрозгалужені гетероструктурні масиви TiO 2/ZnO для ефективних сонячних елементів, сенсибілізованих квантовими точками
TWI540743B ( en ) 2016-07-01 Напівпровідникова плівкоутворююча покривна рідина, напівпровідникова плівка, напівпровідниковий елемент та метод їх виготовлення
TW200810136A ( en ) 2008-02-16 Фотоелектричний пристрій з наноструктурованими шарами
Десаї та ін. 2012 Твердотільні сенсибілізовані барвником сонячні елементи на основі впорядкованих масивів нанодротів ZnO
Рен та ін. 2018 Стратегії для високоефективних чотириконтактних тандемних сонячних елементів на основі перовскіту/кристалічного кремнію
Вільданова та ін. 2017 Наночастинки діоксиду титану, леговані ніобієм, для електронних транспортних шарів у перовскітних сонячних елементах
CN112018209A ( en ) 2020-12-01 Ламінований сонячний елемент на основі гетеропереходу перовскіт-кремній та спосіб його виготовлення
Убані та ін. 2017 Переходимо до області перовскітних сенсибілізованих сонячних елементів
Ранджита та ін. 2019 Вплив легованої плівки TiO2 як шару транспорту електронів для інвертованого органічного сонячного елемента
Ву та ін. 2021 Прогрес у методі нанесення покриттів на перовскітні сонячні елементи на шляху до комерціалізації
Машрегі та ін. 2018 Покращення міжфазного контакту перовскіт/вуглець в перовскітних сонячних елементах на основі вуглецю шляхом зміни двоступеневої послідовності нанесення спінового покриття
Ван та ін. 2018 Вирощування in situ нанокубів PbS як висококаталітичних контр-електродів для сонячних елементів, сенсибілізованих квантовими точками

Юридичні події

Ім’я власника: ONESUN, LLC, Каліфорнія

Текст у вільному форматі: ПЕРЕУСТУПКА ПРАВ ЦЕДЕНТА;ЦЕДЕНТИ:ЗЕЙРА, ЕЙТАН ХАЇМ;МАК, ВОЛЬФГАНГ АДАМ МОЛОДШИЙ;МАК, ВОЛЬФГАНГ АДАМ МОЛОДШИЙ.ДОЙЛ, МОЛЛІ; ДАТИ ПІДПИСАННЯ З 20140502 ПО 20140513; КОТУШКА/КАДР:032887/0635

Текст у вільному форматі: ЗАЛИШЕНО.- НЕВІДПОВІДЬ НА ОФІЦІЙНИЙ ЗАПИТ

Сонячний елемент на основі оксиду міді

На сьогоднішній день було здійснено безліч спроб забезпечити енергією з природних ресурсів. Оскільки нафтове паливо спричиняє велику кількість забруднень, які, як повідомлялося, становлять велику загрозу для життя істот, використання екологічно чистих технологій для отримання енергії стало неминучим підходом. Сонячна енергія привернула велику увагу в досягненні зеленої та сталої енергії з природних ресурсів. Нові фотоелектричні властивості матеріалів представили просту і екологічно чисту технологію виробництва електроенергії з сонячного світла, яке є багатим ресурсом у всьому світі.

Перовскітні сонячні елементи з’явилися як ефективні і недорогі сонячні елементи, які привернули велику увагу завдяки поглинанню великої частини сонячного світла для вироблення електроенергії. Галогенорганічний перовскіт. цікавий фотоелектричний матеріал з близькою до прямої оптичної шириною забороненої зони, який має численні переваги, такі як широкий діапазон поглинання світла від видимого до ближнього інфрачервоного спектру з високим коефіцієнтом екстинкції та великою довжиною дифузії. На сьогоднішній день сертифікована ефективність перетворення енергії досягла 20.3%. Вибір матеріалу та проектування матеріалу для транспортування електронів (ETM) і дірок (HTM) для вилучення електронів і дірок, відповідно, з металоорганічного тригалогенідного перовскітного поглинача має значний вплив на ефективність перовскітних сонячних елементів. На сьогоднішній день, незважаючи на велику кількість цінних робіт, проведених для підвищення продуктивності перовскітних сонячних елементів і вирішення деяких проблем, таких як стійкість до вологи, вартість виробництва цих пристроїв є високою через використання деяких дорогих матеріалів (таких як Spiro-OMeTAD) в структурі пристрою. Таким чином, на додаток до стабільності пристрою, заміна дорогих матеріалів у виробництві перовскітних сонячних елементів сприятиме виходу цих ефективних сонячних елементів на ринок і в життя людей.

Матеріали на основі міді для транспортування дірок, такі як CuI та CuSCN, привертають велику увагу при виготовленні перовскітних сонячних елементів через їх високу рухливість дірок та низьку вартість методів та матеріалів виготовлення.

Використання оксидів металів в якості матеріалів як n-типу, так і p-типу для перовскітних сонячних елементів є перспективним і привабливим з огляду на їх надійну поведінку, довготривалу довговічність, низьку вартість і, що важливо, екологічність та ринкові характеристики. Оксид купруму (Cu2O) з вузькою забороненою зоною є перспективним і екологічно чистим матеріалом p-типу для поглинання і транспортування дірок в сонячних елементах з p-n переходом. Крім того, для структури оксиду купруму повідомляється про відповідну рухливість дірок і довжину дифузії, що робить його придатним неорганічним і дешевим HTM для перовскітних сонячних елементів.

Тут тонка плівка Cu2O представлена як потенційний новий матеріал для транспортування дірок для довговічних перовскітних сонячних елементів (рис. 1.). Враховуючи той факт, що оксид міді є дуже чутливим до суміші прекурсорів перовскіту та їх розчинників, ми запропонували інженерну техніку реактивного магнетронного розпилення в цій роботі. Обертальне кутове осадження оксиду міді показує добре покриття поверхні шару перовскіту для високої швидкості вилучення заряду (рис. 1.). Осадження шару Cu2O на шар перовскіту без дірок показує максимальну ефективність перетворення енергії 8.93% (рис.1). стабільність цих типів перовскітних сонячних елементів перевищує 30 днів (рис. 2.) пропонує нове бачення вдосконалення та розвитку перовскітних сонячних елементів, що використовують оксид купруму як неорганічний дірковий транспортний матеріал.

Бахрам Абдоллахі Неджанд 1. Саба Гарібзаде 2. Вахід Ахмаді 3 і Хамід Реза Шахверді 1 1 Група наноматеріалів, відділ. Кафедра інженерії матеріалів, Університет Тарбіат Модарес, Тегеран-Іран 2 Кафедра фізики, Університет Тарбіат Модарес, Тегеран-Іран 3 Школа електротехніки та комп’ютерної інженерії, Університет Тарбіат Модарес

Пов’язані статті:

Ультразвук генерує електрику всередині тіла Імплантовані медичні пристрої (ІМП) дуже корисні для здоров’я пацієнтів. В умовах швидкого розвитку технологій для МДН, стійкі та надійні методи живлення для МДН є дійсно важливими. Вони, як правило, покладаються.
Сталі нанодроти ZnSnO3, отримані за допомогою недорогого рішення Оксидні матеріали, а точніше, багатокомпонентні оксидні матеріали, широко досліджуються в тонкоплівкових технологіях, оскільки вони є дуже поширеними матеріалами на основі індію. Наприклад, струмопровідний оксид індію-олова (ITO) або напівпровідний індій-галію-цинк.
Сталі рішення: Порошок ядра насіння тамаринду (TKP) Більшість клеїв на нафтовій основі, що застосовуються сьогодні в деревообробній промисловості, особливо клеї на основі формальдегіду Тенденція їх застосування зростає завдяки їх широкій доступності, чудовій адгезії, довговічності та стійкості до впливу.
Дані Чикаго свідчать про те, що світлове забруднення порушує Зростання населення, економічний розвиток та урбанізація означають, що все більше екосистем освітлюються протягом ночі. Екологи та астрономи, серед інших небайдужих людей, б’ють на сполох, що “екологічне світлове забруднення”.
Посилення Паризької угоди за рахунок клімату з боку пропозиції Щоб досягти мети Паризької угоди щодо утримання глобального потепління на рівні значно нижче 2 градусів, більша частина світових покладів нафти, газу та вугілля повинна бути залишена назавжди в.
WRGSD: підвищення надійності та ефективності для прибережних Планування відбору проб на основі сітки реагування на якість води (WRGSD) з використанням оптимізації та багатофакторної оцінки може надійно виявляти різноманітний вплив людської діяльності Дизайн вибірки оптимізовано шляхом кластеризації та

Залишити відгук Скасувати відповідь

Ви повинні увійти, щоб залишити коментар.

Електроосаджені нанодротові фотоелектричні елементи з оксиду міді та оксиду цинку з серцевиною та оболонкою

Невизначеність щодо енергетичних потужностей, обмеженість ресурсів викопного палива та зміни клімату зумовлюють потребу в розширенні досліджень та розробок альтернативних та сталих енергетичних рішень. Сонячна енергія є одним з рішень цієї проблеми, і існує багато її варіантів, однак більшість з них є надто дорогими. Ми пропонуємо недорогий спосіб виробництва сонячної енергії, який є економічно вигідним як з точки зору матеріалів, так і з точки зору виробництва. Наше рішення буде використовувати дешеві, доступні матеріали, а також дешеві методи виробництва для виробництва фотоелектричних (ФЕ) елементів. Хоча малоймовірно, що ефективність таких елементів буде рекордною, низька вартість повинна зробити їх конкурентоспроможними за ціною за ват, що є одним з найважливіших показників для комерціалізації будь-якої сонячної технології.

Наша конструкція складається з радіального гетеропереходу, що складається з нанодротів оксиду міді p-типу та оксиду цинку n-типу, які є оксидами багатих на землю матеріалів. Нанодроти мають конструкцію “ядро-оболонка”, щоб мінімізувати відстань пробігу носіїв і максимізувати площу переходу. Крім того, ми використовуємо мокрий хімічний процес виготовлення, що робить виробництво таких елементів недорогим, легко масштабованим і невибагливим до енергії. Процес включає вирощування мідних нанодротів, окислення, покриття оксидом цинку і нанесення верхнього контакту.

Випадок для сонячної енергетики

Сонячна енергія є привабливим рішенням для вирішення складних енергетичних проблем через кількість енергії, яку вона може виробляти, низькі витрати на обслуговування та експлуатацію, а також її екологічно чисту природу. Сонце здатне забезпечити більш ніж достатньо енергії, щоб задовольнити світові потреби, навіть з урахуванням майбутнього зростання. Після встановлення сонячні панелі продовжуватимуть забезпечувати електроенергію протягом десятиліть з мінімальною участю людини; системи все ще можуть працювати через 40 років (King, Quintana et al. 2000 років) і мають потенціал працювати ще довше. Під час роботи немає витрат на паливо та шкідливих викидів, а налаштування потребує лише невеликого навчання.

Кількість енергії, що надходить від сонця, більша, ніж будь-яка інша форма відновлюваної енергії. Сонячне випромінювання становить 173 000 ТВт енергії, що затьмарює всі інші відновлювані джерела, такі як вітер і хвилі (3600 ТВт), геотермальна енергія (понад 32 ТВт) і енергія припливів (3 ТВт) (Да Роза, 2005). Хоча ці цифри не відображають кількість електроенергії, яка може бути вироблена з відповідних джерел енергії, вони демонструють явне домінування сонячної енергії над усіма іншими видами енергії.

Сонячна енергія має потенціал для забезпечення всіх світових потреб в електроенергії, як показано на Рисунку 1. Якби шість чорних кіл були покриті сонячними панелями з ефективністю лише 8%, можна було б виробити 18 ТВт енергії (Лостер 2010), що більше, ніж загальне споживання енергії у 2007 році, яке становило 16.6 TW (U.S. Управління енергетичної інформації, 2010). Загальна площа необхідної землі становить приблизно 910 000 кв.км. км. (Loster 2010) або близько 0.6% від загальної площі суші на Землі. Слід зазначити, що створено багато конструкцій сонячних елементів, ефективність перетворення яких перевищує 8%. (Грін, Емері та ін. 2010)

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Хоча сонячна фотоелектрика має значні початкові витрати, витрати на експлуатацію та обслуговування мінімальні. Оскільки сонячні батареї є твердотільними пристроями і не мають рухомих частин (за винятком систем стеження), вони мають високу надійність.

Фотоелектричні системи не генерують шкідливих викидів під час використання, а також не створюють шуму або небажаних побічних продуктів. (Luque and Hegedus 2003) Ця чиста якість, а також високомодульна і масштабована природа технології робить її чудовим вибором для безлічі енергосистем. Сонячні панелі можуть використовуватися домогосподарствами для забезпечення енергією власного будинку, для віддаленого виробництва електроенергії поза мережею або для великих комунальних установок. Поза виробничим процесом сонячні панелі є дуже екологічно чистими і не викидають CO2 в атмосферу. Використання переробки після закінчення терміну служби та більш безпечної промислової переробки зробить цю технологію ще більш екологічною в майбутньому.

2.1. Основи сонячних елементів

Сонячні фотоелектричні елементи. це пристрої, які перетворюють променисту енергію сонця безпосередньо в електрику. Фактори, які впливають на кількість виробленої енергії, включають інтенсивність випромінювання, спектральний розподіл випромінювання, а також конкретні матеріали, конструкцію та якість наявного сонячного елемента. Більшість неорганічних сонячних елементів, однак, працюють таким же чином і будуть описані нижче.

Електромагнітне випромінювання (переважно у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру) випромінюється сонцем і поглинається сонячним елементом. Потім фотон збуджує негативно заряджений електрон з валентної зони (стан з низькою енергією) в зону провідності (стан з більш високою енергією), залишаючи після себе позитивно заряджену вакансію, яка називається діркою. Для того, щоб ця передача енергії створила будь-яку корисну енергію, фотон повинен мати енергію, більшу за ширину забороненої зони матеріалу, інакше електрон негайно розслабиться і рекомбінує з діркою, а енергія буде втрачена у вигляді тепла. При збудженні над забороненою зоною фотон створює електрон і дірку, які тепер можуть вільно рухатися по всьому напівпровідниковому кристалу. Вони діють як носії заряду, які переносять енергію до електричних контактів, що призводить до виникнення вимірюваного зовнішнього струму. Ці процеси показані на рисунку 2.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Матеріали і структура сонячного елемента дуже важливі в цьому процесі. Сонячний елемент виготовляється з напівпровідникового матеріалу, який сприяє створенню та руху носіїв заряду. Конкретний матеріал визначає ширину забороненої зони і, таким чином, які довжини хвиль світла клітина може поглинати, а також багато інших оптоелектронних властивостей

Для отримання додаткової інформації про оптоелектронні властивості матеріалів можна звернутися практично до будь-якого відповідного підручника з даної тематики. Декілька рекомендованих текстів: Касап, С. O. (2001). Принципи і практика оптоелектроніки та фотоніки. Upper Saddle River, Нью-Джерсі, Prentice-Hall Inc., Kasap, S. O. (2006). Принципи електронних матеріалів і пристроїв. Нью-Йорк, Мак-Гроу-Хілл., і Салех, Б. E. A. і М. C. Тейч (2007). Основи фотоніки. Хобокен, Нью-Джерсі, John Wiley Sons.

Після створення пари електрон-дірка під дією сонячного світла сонячна батарея повинна розділити ці заряди, інакше вони швидко рекомбінують і втратять свою енергію. Для цього використовують два шари напівпровідника: n-типу, який має надлишок фіксованих негативних зарядів, і p-типу, який має надлишок фіксованих позитивних зарядів. Коли ці два напівпровідникові шари розміщені поруч, протилежні носії заряду самознищуються в області переходу. Решта нерухомих зарядів не можуть рухатися, щоб рекомбінувати, і, таким чином, створюють вбудований потенціал на переході. Цей потенціал змушує заряди відокремлюватися і рухатися до контактів. Якщо електрони і дірки виживають досить довго, то сонячна батарея може генерувати енергію. Цей процес можна побачити на Рисунку 3, де світло створює електронно-діркові пари, які потім переносяться до контактів завдяки різниці напруг між n і p шарами. Через протилежну полярність різних носіїв заряду, навіть якщо вони рухаються в протилежних напрямках, їхні струми додаються в одному напрямку.

Ширина забороненої зони являє собою певний компроміс в характеристиках матеріалу в пристрої сонячного елемента. Матеріал з широкою забороненою зоною не поглинає енергію низькоенергетичних фотонів. Матеріал з малою шириною забороненої зони може поглинати більше сонячної енергії; однак, фотогенеровані носії заряду втрачають більшу частину цієї енергії через нагрівання до енергії забороненої зони, коли електрони вилітають з матеріалу. Це проілюстровано на малюнку 4. Таким чином, незалежно від ширини забороненої зони, значна частина сонячної енергії втрачається. Як обговорюється в наступному розділі, масив нанодротів має потенціал для вирішення цієї проблеми, значно збільшуючи максимальну ефективність фотоелектричних елементів (Кемпа, Нотон та ін.). 2009).

Кінцевим показником ефективності сонячних елементів є вартість вата; це вирішує, чи стане та чи інша технологія сонячної енергії комерційно життєздатною. Використання нами майже ексклюзивного методу мокрої хімії та великої кількості матеріалів має потенціал бути неймовірно дешевим і масовим. Сонячна енергія має потенціал для задоволення більшої частини світових енергетичних потреб, але для того, щоб вона дійсно стала основним джерелом енергії, матеріали, що використовуються, повинні бути в достатній кількості. Представлених нами матеріалів достатньо, щоб забезпечити електроенергією весь світ (Wadia, Alivisatos et al.). 2009). Цей достаток, у поєднанні з недорогими можливостями масового виробництва процесу мокрої хімії, вказує на те, що цей пристрій може допомогти досягти енергетичної незалежності, зберігаючи при цьому навколишнє середовище.

Наш дизайн фокусується на використанні дешевих, доступних матеріалів, а також недорогих методів виробництва, щоб знизити вартість виробництва сонячних елементів. Використання нанодротяної геометрії повинно сприяти збільшенню поглинання, а також зменшенню відстані пробігу носіїв заряду. Деталі нашої конструкції та її переваги будуть розглянуті в наступних розділах.

2.2. Як нанодроти приносять користь сонячним елементам

Наноструктури постійно знаходять способи покращення продуктивності об’єктів та пристроїв у багатьох різних галузях, включаючи фотоелектрику. Зокрема, нанодроти використовуються для вдосконалення сонячних елементів і мають кілька ключових переваг, включаючи: зменшення чистого відбиття (збільшення поглинання), збільшення площі переходу і зменшення відстані пробігу носіїв.

Збільшена площа поверхні масиву нанодротів і притаманні їй особливості поверхні призводять до зменшення відбиття і, як наслідок, до більшого поглинання падаючого світла. (Ху і Чен, 2007) Це значною мірою пов’язано з ефектами захоплення і розсіювання світла, коли світло відбивається між нанодротами, тим самим значно зменшуючи ймовірність того, що воно буде відбиватися назовні. Цей ефект показаний на рисунку 5 і більш детально пояснюється в роботі (Muskens, Rivas et al. 2008). Посилання (Cao, Fan et al. 2010) демонструє резонансні ефекти, засновані на діаметрі нанодроту і слабкій кутовій залежності падаючого світла, притаманній нанодротам, які сприяють збільшенню поглинання.

Геометрія нанодроту “серцевина-оболонка” змушує носії рухатися радіально по дроту, таким чином зменшуючи відстань, яку носій повинен пройти, перш ніж досягне контакту. Перехід також знаходиться близько до контактів завдяки нанодротам, таким чином, розділені носії мають меншу відстань для подорожі в напівпровіднику і, отже, меншу ймовірність рекомбінації. Крім того, це також означає, що якість матеріалу може бути нижчою, ніж у традиційних пристроїв (Tian, Zheng et al. 2007), що є важливим фактором при використанні наших матеріалів і процедур вирощування (Tian, Zheng et al. Ми досліджуємо механізми транспорту носіїв у цих фотоелектричних елементах, щоб побачити, чи зменшена відстань пробігу носіїв, спричинена бічним рухом, зменшує час екстракції носіїв. Це може призвести до збільшення енергії, що витягується на фотон, оскільки гарячі носії можуть бути витягнуті до того, як вони втратять свою надзонну енергію при нагріванні.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Масив нанодротів “ядро-оболонка” дозволяє використовувати ультратонкі напівпровідникові шари, які зменшують кількість використовуваного матеріалу, не жертвуючи при цьому поглинанням фотонів. Хоча матеріали, що використовуються тут, вже є хорошими поглиначами, Рисунок 6 демонструє, як нанодроти значно покращують поглинання світла. Оскільки поглинання є високим при використанні ультратонких шарів, додаткова перевага зменшення кількості використовуваного матеріалу знизить загальні витрати на конструкцію.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Ще одна перевага геометрії “ядро-оболонка” полягає в тому, що незалежно від того, де поглинається фотон, він буде знаходитись близько до переходу. Отже, якщо фотон проходить половину шляху по дроту до поглинання, або поглинається на кінчику дроту, він має однакову ймовірність створення електронно-діркової пари. В об’ємній комірці це не так, оскільки чим далі в комірку проникає фотон, тим далі він знаходиться від переходу і тим менша ймовірність того, що він братиме участь у генерації носіїв заряду.

Нанодроти та їх виготовлення

Завдяки своїй геометрії і масштабу, нанодроти викликали величезний дослідницький інтерес в останні десятиліття. Нанодроти демонструють виняткове співвідношення поверхні до об’єму, яке зростає обернено пропорційно до діаметру нанодроту. Вуглецеві нанотрубки мають відношення поверхні до об’єму, що перевищує 10 6 см 2 /см 3. Таким чином, нанодроти привертають велику увагу в галузі каталітичної науки, зберігання енергії та електрохімії; однак, застосування нанодротів для виробництва енергії є менш перспективним.

Для виготовлення нанодротів було розроблено багато процесів. Загалом, методології “знизу-вгору” застосовуються тому, що методи “зверху-вниз” обмежені в досяжних критичних розмірах і співвідношеннях сторін.

Техніка електроспінінгу формує нановолокна, використовуючи переваги відштовхуючих електростатичних сил, присутніх в зарядженій краплі рідини. У правильних умовах заряджена крапля може випромінювати нанорозмірний потік, який формується в нановолокно. Композити можуть бути використані таким чином, що подальша обробка може дати нанодроти, що складаються з металу або інших матеріалів (Shui and Li 2009).

Нанодроти з надзвичайно високим співвідношенням сторін можна також вирощувати вздовж східчастих країв, що зустрічаються в природних або штучних структурах. Зак та ін. продемонстрували здатність до селективної гальванопластики на краях атомної сходинки високоупорядкованого піролітичного графіту (Zach, Ng et al. 2000). Аналогічно, Менке та ін. вперше виготовлено нанодроти шляхом гальванопластики вздовж підрізаної області фоторезисту після мокрого травлення електрода, замаскованого літографічно нанесеною плівкою фоторезисту (Menke, Thompson et al.). 2006).

Монокристалічні напівпровідникові нанодроти можна вирощувати методом “пара-рідина-тверде тіло” (VLS-зростання). Цей популярний метод передбачає нанесення тонкого (1-10 нм), часто золотого, шару насіння на підкладку з бажаного матеріалу нанодроту. Потім підкладку поміщають у вакуумну камеру, в яку вводять відповідні парофазні прекурсори для матеріалу, що вирощується. Посівний шар утворює точки зародження, які при певних температурах полегшують перенесення парів через рідку фазу до конденсації на підкладці під золотом (Гіваргізов 1975).

Нанодроти також можуть бути виготовлені шляхом обробки на основі розчину. Це аналогічно росту VLS, за винятком того, що він відбувається в розчині, а не у вакуумній камері. Загалом, каталізатор на кінчику зростаючого нанодроту сприяє переходу від іонних видів у розчині до твердих видів у нанодроті. Інші компоненти в розчині інгібують ріст на підкладці та бокових стінках нанодроту (Wang, Dong et al. 2006). Також слід відзначити подібний метод синтезу поліолів (Sun, Mayers et al. 2003). Цей метод передбачає пасивацію всіх кристалічних площин, крім однієї, що дозволяє здійснювати одновимірний ріст вздовж однієї кристалічної площини. Нанодроти зі срібла, золота та паладію з високим співвідношенням сторін були синтезовані таким чином.

Стандартна літографія також може бути використана для створення нанодротів. Однак критичний розмір (діаметр) і співвідношення сторін обмежені технологією. Співвідношення сторін і розміри, що досягаються вищезгаданими методами, значно перевершують ті, що використовуються в стандартних літографічних процесах. Проте, використання літографії має дві явні переваги при роботі з електронними пристроями. З одного боку, нанодроти можуть бути легко інтегровані в інші пристрої та структури, які виготовляються літографічними методами. Наприклад, з’єднання, транзистори та MEMS-структури можуть бути виготовлені разом з нанодротами. По-друге, для стандартних низхідних методів виробництва існує багато добре відомих способів електричного з’єднання із зовнішнім світом (з’єднання дротом, пайка тощо). Це часто є проблемою при роботі з висхідними методологіями.

Нарешті, шаблонний ріст є популярним і універсальним методом виробництва нанодротів. Цей процес використовується в цій роботі для виготовлення нанодротів типу “ядро-оболонка. У цьому методі нанодроти маскуються шаблоном, таким як анодована алюмінієва мембрана або полікарбонатна мембрана, протравлена треком. Обидві ці мембрани мають пори з надзвичайно високим співвідношенням сторін. Анодовані мембрани з оксиду алюмінію (AAO) мають пори діаметром від нанометрів до мікрон і довжиною до сотень мікрон. Для виготовлення нанодротів потрібний матеріал заливають у шаблон. Для досягнення цього використовуються різні методи, включаючи осадження атомних шарів, центрифугування, електрофоретичне осадження і, найчастіше, електрохімічне осадження (ECD) (Cao and Liu 2008). При електрохімічному вирощуванні на одну сторону шаблону наносять провідний шар затравки, а на іншу сторону вносять розчин для покриття потрібного матеріалу. Заключним етапом виготовлення є видалення шаблону, що досягається шляхом розчинення мембрани у відповідному розчині (галогеновані розчинники для полікарбонатних мембран або сильні основи для ААО).

3.1. Оксид міді. гетероперехідні нанодроти оксиду цинку:

Досліджувані матеріали. оксид міді (II) та оксид цинку. Вони мають ширину забороненої зони 1.2 еВ (Jiang, Herricks et al.). 2002) і 3.3 еВ (Ozgur, Alivov et al. 2005), відповідно. Існує також достатня кількість оксиду міді (I), який має ширину забороненої зони 2.0 еВ (Rakhshani 1986), але цей матеріал повинен зменшитися з оптимізацією нашого процесу виготовлення. Ці матеріали були обрані через їх простоту використання в електроосадженні та їх відносну поширеність. Вони мають додаткову перевагу в тому, що є природними матеріалами n- і p-типу. Нелегований оксид цинку має залишкову провідність n-типу (Look, Hemsky et al. 1999; Ozgur, Alivov et al. 2005), а CuO, природно, має p-тип. (Цзян, Херрікс та ін. 2002) В даний час для верхнього контакту використовується тонка плівка оксиду індію-олова (ITO), але майбутня робота буде включати дослідження більш економічних альтернатив.

Структура нанодроту складається з коаксіально розташованих шарів, що створюють структуру “ядро-оболонка”, як показано на рисунку 7. Переваги цієї структури обговорювалися в розділі 2.2. Основа і серцевина нанодротів складаються з мідного сердечника, який виконує роль нижнього контакту, далі йде оболонка з оксиду міді навколо мідного сердечника, а потім друга оболонка з оксиду цинку. Нарешті, зверху наноситься шар оксиду індію-олова. Через напилення цей верхній шар не дуже конформний і покриває в основному верхню частину дротів. Цей процес можна замінити осадженням ALD для досягнення конформного покриття.

Смугову діаграму комірки можна побачити на рисунку 8. Тут показано ширину забороненої зони матеріалів і падіння напруги між ними. Це падіння напруги відштовхує електрони і дірки один від одного, щоб запобігти їх негайній рекомбінації. Ширина забороненої зони ZnO становить 3.3еВ і тому може поглинати лише ультрафіолетове світло до 376 нм. Оксид міді (Cu2O) може поглинати світло до 620 нм, а оксид купруму, CuO, може поглинати випромінювання до 1033 нм. Це охоплює переважну більшість сонячного спектру. Шар ZnO дуже тонкий і має широку заборонену зону. Тому його призначення полягає в тому, щоб діяти як матеріал n-типу для створення вбудованої напруги діода, яка служить для вилучення носіїв заряду. Оксиди міді служать поглиначем і матеріалом p-типу в діоді.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Процес створення наших нанодротів буде розглянуто в розділі 3.3, однак останню ітерацію (до осадження верхнього контакту) можна побачити на рис. 9.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

3.2. Електрохімічні та інші методи виготовлення масивів нанодротів

Геометричні обмеження при виготовленні нанодротів (особливо структур типу “ядро-оболонка”) роблять використання багатьох поширених методів “зверху-вниз” непрактичним. Розміри нанодротів накладають обмеження на їх виготовлення, з якими не можуть впоратися багато традиційних методів осадження. Наприклад, процеси фізичного осадження з газової фази (PVD) є методами прямої видимості, і, як такі, ці методи ніколи не дають вражаючого покриття кроку в елементах з високим співвідношенням сторін (відношення довжини до ширини), таких як нанодроти (Madou 2002). Хімічне осадження з газової фази працює краще і зазвичай використовується для покриття або заповнення елементів із співвідношенням сторін п’ять-десять (Gordon, Hausmann et al. 2003). Однак, це все ще на порядки віддалене від типового співвідношення сторін нанодротів. У наступному розділі детально описані методи виготовлення, які добре підходять для створення та модифікації масивів нанодротів, з особливою увагою до оксидів міді та цинку, а також структур типу “ядро-оболонка”.

Електрохімічне осадження, показане на рисунку 10, полягає у використанні електрично керованих окислювально-відновних реакцій для затвердіння іонів з розчину. Найчастіше катіони металів відновлюються на катоді, в той час як окислення на аноді того ж металу заміщує відновлені іони. Можна наносити сплави та сполуки за допомогою ретельних маніпуляцій з гальванічною ванною. Наприклад, багато оксидів металів, включаючи оксиди міді та цинку, можуть бути осаджені шляхом ретельного контролю розчину та електричних умов (Golden, Shumsky et al. 1996)

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Одним з недоліків електроосадження є його схильність до неконформного росту на неплоских поверхнях. Це не є проблемою при вирощуванні нанодротів через шаблон, який служить для обмеження росту. Однак на шорстких або текстурованих поверхнях (таких як масив нанодротів) електрони збираються в аспіраціях на поверхні. осадження відбувається в цих точках, що тільки загострює проблему, оскільки це робить поверхню шорсткішою. Добавки в гальванічну ванну можуть полегшити цю проблему, збираючись у точках з найвищою щільністю струму та інгібуючи осадження, але це вносить домішки в осаджений матеріал. Про силу добавок у створенні конформних осадів свідчить поява мідних з’єднань в індустрії інтегральних схем, де отвори з високим співвідношенням сторін заповнюються ЕХД (Андрікакос, 1999). Однак, співвідношення сторін є ще більш вираженим для екстремальних геометрій, що спостерігаються в масивах нанодротів. Існують також проблеми з масопереносом, оскільки довжина дифузії іонів у розчині перевищує відстань між нанодротами. Тому іонам важко (або малоймовірно) подорожувати по довжині нанодроту до його основи, не зменшуючись і не осаджуючись передчасно. Хоча ECD важко реалізувати для конформних покриттів на масивах нанодротів, він залишається методом вибору для отримання високоякісних нанодротів за допомогою шаблонного росту.

Безелектричне та занурювальне осадження. це хімічні методи осадження металевих плівок без застосування електричного потенціалу, які традиційно використовуються для конформного покриття складних геометричних форм. Безелектролітичне покриття (також відоме як автокаталітичне осадження) використовує відновники в розчині для керування реакцією на поверхні, яка діє як каталізатор. Безелектролітичне осадження не страждає від ефекту скупчення струму при електролітичному осадженні, але ефекти масопереносу можуть впливати на швидкість осадження в різних точках геометрії нанодроту (Paunovic, Schlesinger et al. 1998).

Занурювальне осадження. це реакція витіснення більш благородного металу, який замінює більш активний метал на поверхні. Наприклад, іони золота в розчині відновлюються і наносяться на залізний брусок. Поверхня заліза окислюється і розчиняється в розчині для збереження заряду. Реакція є самообмежувальною, а товщина осаду становить лише кілька моношарів. На відміну від автокаталітичного та електролітичного покриття, занурення є виключно однорідним незалежно від топології поверхні. Таким чином, занурення є привабливим варіантом для створення “оболонки” в нанодротяних системах “ядро-оболонка”. Основним недоліком є матеріальні обмеження: матеріал для осадження повинен бути вище в гальванічному ряді, ніж підкладка (Langdon 1988).

Матеріальні обмеження занурення можуть бути вирішені за допомогою процесу, відомого як контактне покриття. У цьому процесі підкладка, що підлягає покриттю, вступає в електричний контакт з більш електропозитивним (менш благородним) металом. Окислення відбувається на електропозитивному металі, що приводиться в рух складовими ванни. Це окислення дає електрони, які подорожують через електричний контакт і дозволяють відновлювати іони з розчину. Якщо менш благородний метал є також матеріалом покриття, ця реакція є самообмежувальною, оскільки реакція припиняється, коли робота покрита. Таким чином, конформні покриття менш благородних металів можуть бути електрохімічно осаджені на складні геометрії (Durney 1984).

Хоча це і не електрохімічний метод, осадження атомного шару (ALD) слід згадати як кінцевий метод конформного покриття. На відміну від попередніх процесів, ALD відбувається з реагентів у газовій фазі, як правило, за низького тиску. В ALD вводять газовий прекурсор і дають йому сформувати моношар на поверхні зразка перед відкачуванням. Потім вводять другий газ, який реагує з моношаром, утворюючи бажану плівку. Цей процес повторюється для нарощування плівки атомарно, моношар за моношаром. Оскільки моношари виключно однорідні, конформні покриття на складних топологіях легко досягаються. Співвідношення сторін майже 50 легко наноситься рівномірно (Рітала і Лескела, 2001). Основним недоліком ALD є надзвичайно низька швидкість осадження, яка зазвичай досягає максимуму в кілька ангстремів на хвилину.

Нарешті, реакції окислення є, мабуть, найбільш простим і ефективним способом створення виключно однорідних і конформних шарів на складних структурах. Окислення можна проводити як у водному, так і в газоподібному середовищі. Останній випадок, який зазвичай називають просто термічним окисленням, добре описаний в широкому діапазоні температур (Cabrera and Mott 1949). Тонкі, однорідні оксиди можуть бути сформовані на металах простим нагріванням в атмосфері кисню (Rusu, Gırtan et al. 2007; Njeh, Wieder et al. 2002). Однак високі температури, необхідні для термічного окислення, можуть мати деякі небажані наслідки щодо відпалу, коефіцієнтів теплового розширення та дифузії. Наприклад, структура мідь-цинк не може бути перетворена в гетероперехід оксид міді. оксид цинку шляхом термічного окислення, оскільки матеріали будуть дифундувати один в одного. Це формує латунь, а не діод.

У випадку мокрого окислення реакція може відбуватися спонтанно (Там і Робінсон 1986) або може керуватися електрично в процесі, відомому як анодування (Ямагучі, Ямазакі та ін.). 1998). Перевагою цих процесів є те, що вони відбуваються при низьких температурах. Анодування можна розглядати як зворотний процес до гальванопластики. При анодуванні позитивний потенціал, прикладений до деталі, змушує іони кисню в розчині окислювати (в електрохімічному сенсі) атоми на поверхні. У той час як в ECD окислені іони на аноді розчиняються в розчині, при анодуванні оксиди залишаються на аноді і утворюють конформну плівку. До речі, саме цим процесом виготовляються шаблони ААО для початкового росту нанодроту в процесі, представленому в цій статті.

3.3. Виготовлення

Наше виробництво відбувається в лабораторії мікро- та нанотехнологій Тафтса (TMNF) в Університеті Тафтса, а деякі роботи виконуються в Центрі нанорозмірних систем (CNS) Гарвардського університету. TMNF. це чисте приміщення класу 1000, де виконується більшість процесів мокрої хімії та напилення. CNS. це велика площа в 10 000 кв.м. ft. Чиста кімната класу 1000, де проводиться більша частина нашої візуалізації. Ми також виконуємо осадження атомного шару в CNS.

Наш виробничий процес можна побачити на малюнку 11. Ця схема показує процес від початку до кінця і включає створення мідних нанодротів, окислення шару оксиду міді, осадження шару ZnO і, нарешті, осадження верхнього контактного шару. Процес починається з отримання анодованого шаблону з оксиду алюмінію, який можна придбати на ринку або створити шляхом анодування алюмінієвої плівки. Потім на одну сторону шаблону напилюється мідь, яка стає електродом і виступає в якості початкового шару для нанодротів. Потім AAO діє як маска для наскрізного покриття міді. П’ять-десять мікрон міді гальванічно осаджуються в пори. Потім AAO розчиняють у 10% розчині гідроксиду калію (KOH) протягом 20 хвилин, виявляючи щільно упакований масив мідних нанодротів (як показано на рисунку 9 вище).

Електрохімічне осадження (ЕХО) міді виконується з використанням розчину 0.75 М мідного купоросу (CuSO4) і 1.5 М сірчана кислота (H2SO4) при кімнатній температурі з перемішуванням на повітрі. Ця реакція є струмообмеженою при струмі, що подається, меншому або рівному 5 мА/см². ЕХД оксиду цинку виконується з використанням розчину 0.1 М нітрату цинку (ZnNO3) при 70. 80 С при потенціалі 0.75 вольт.

Майбутні дослідження

Нанодроти і особливо нанодротові сонячні елементи все ще знаходяться на ранній стадії розвитку і зустрічаються майже виключно в лабораторіях, хоча є кілька компаній, які планують випускати продукцію з використанням нанодротів, і.e. Bandgap Engineering, QDSoleil, Illuminex. Як і у випадку з багатьма новими технологіями, в представленому тут дослідженні ще багато роботи, і є ще багато вдосконалень, оптимізацій і варіантів, які необхідно вивчити. Кілька областей, які потребують подальших досліджень, пов’язані з конформним покриттям нанодротів і загальною оптимізацією процесу, вибором матеріалів і довгостроковою стабільністю.

Однією з найбільших труднощів при вирощуванні таких нанодротів є досягнення конформних покриттів для створення структури “ядро-оболонка”. Електрохімічні методи, крім того, що вони дешеві, виявилися набагато кращими, ніж методи фізичного осадження з газової фази, однак через надзвичайно малі відстані між нанодротами, часто покриваються лише верхні частини нанодротів. Кілька способів, якими ми намагаємось пом’якшити цю проблему. це тестування, щоб побачити, як осадження атомного шару порівнюється з процесом ECD. Крім того, контактне осадження є перспективним для конформного електрохімічного покриття геометрії нанодротів. Значна частина вже розробленого процесу виготовлення потребує подальшої оптимізації. Кілька факторів, які потребують коригування. це специфічні параметри для отримання оптимальної ширини та довжини нанодротів, специфічна температура та тривалість термічного окислення, специфічна напруга та концентрація електрохімічних ванн, і особливо наше верхнє контактне осадження. В даний час ми наносимо напиленням прозорий провідник з оксиду індію та олова, однак це дорогий матеріал і дуже неконформне осадження. Слід дослідити методи золь-гель осадження та альтернативні прозорі оксиди провідності, такі як легований ZnO.

Оксиди, що використовуються в даний час, були обрані спеціально для їх простоти використання з ECD, а також їх поширеності в земній корі. Це дозволило нам досягти швидкого початкового прогресу недорого, а також слідувати нашій меті. створити недорогу сонячну альтернативу. Однак оксиди міді та цинку не дуже добре підходять для сонячного спектру, оскільки вони мають відносно широку заборонену зону, і нам варто було б розглянути інші варіанти матеріалів. Той факт, що мідь утворює бар’єр Шотткі з оксидом міді, перешкоджає створенню оптимального омічного контакту, знижуючи ефективність, яку ми можемо отримати, і тому слід дослідити інший матеріал нижнього контакту або матеріал поглинача. Інший варіант. оптимізувати цей процес для фотоелемента з бар’єром Шотткі, де перехід формується не за рахунок різниці в легуванні, а за рахунок виснаження шару, індукованого металом на переході метал-напівпровідник.

Однією з потенційних проблем, якої слід остерігатися, є те, що нанодроти надзвичайно чутливі до тиску. Місця на комірці, де з ними поводилися, помітно пошкоджені під мікроскопом, а в деяких випадках видимі неозброєним оком. Хоча це неминуче на ранніх стадіях досліджень, це важлива проблема, яку необхідно вирішити в подальшому. Необхідно виконати роботу, щоб забезпечити адекватні методи поводження в процесі виготовлення, а також достатню інкапсуляцію для забезпечення довготривалої роботи при розгортанні.

Висновок

У цьому розділі ми представили новий процес виготовлення для створення фотоелектричних елементів на основі оксидних нанодротів типу “ядро-оболонка”. Основним фокусом цього процесу проектування було збереження низьких витрат. Для цього були досліджені матеріали, багаті на землю, а також мокрі хімічні методи виготовлення. Оскільки наші зразки знаходяться на ранній стадії розробки, вони мають проблеми, які повинні бути вирішені шляхом оптимізації процесу виробництва. Хоча ми спостерігали діодний відгук виготовлених зразків, ми не впевнені, чи це пов’язано з можливим діодом Шотткі, утвореним між шарами міді та оксиду міді, чи з pn-переходом. Ці пристрої мають потенціал стати неймовірно дешевими сонячними елементами, але для досягнення цієї мети необхідні і виправдані подальші дослідження і розробки.

Подяки

Як зробити сонячну панель (метод мідного листа)

Ця стаття написана у співавторстві з Мередіт Юнкер, доктором філософії. Мередіт Юнкер. кандидат наук з біохімії та молекулярної біології в Центрі наук про здоров’я Університету штату Луїзіана. Її дослідження зосереджені на білках і нейродегенеративних захворюваннях.

wikiHow позначає статтю як схвалену читачами, коли вона отримує достатню кількість позитивних відгуків. У цьому випадку кілька читачів написали нам, що ця стаття була для них корисною, завдяки чому вона отримала статус “Схвалено читачами”.

Цю статтю переглянули 140 148 разів.

Саморобні сонячні панелі/елементи. чудовий проект “зроби сам” для дорослих і дітей. Одним з простих способів виготовлення дешевої сонячної панелі є використання оксиду купруму, окисленої форми міді. Хоча це чудовий експеримент, який показує, як працює сонячна панель, майте на увазі, що вона не буде виробляти багато енергії взагалі.

Отримання оксиду купруму

Виріжте 2 мідні листи. Ви можете легко зробити це за допомогою ножиць для листового металу. Зробіть листи однакового розміру. Ви хочете, щоб 1 лист помістився на пальнику або конфорці, і обидва помістилися в 2-літрову пляшку. Зробити їх обома квадратами 6 дюймів (15 см) повинно добре працювати. [1] X Джерело дослідження

Очистіть мідні листи. Використовуйте знежирювач, щоб видалити будь-які масла або жир з мідного листа. Ви не хочете, щоб вони вступали в реакцію з міддю або запобігали її окисленню. Ви також повинні носити рукавички, щоб уникнути потрапляння масла зі шкіри на мідь. Також не забудьте почистити мідь сталевою ватою або наждачним папером, щоб видалити будь-яку корозію. [2] X Джерело дослідження

Покладіть 1 мідний лист на гарячу плиту. Після того, як ви поклали аркуш на гарячу плиту, увімкніть гарячу плиту. Це нагріє мідь і забезпечить енергію, необхідну для швидкої реакції міді з киснем у повітрі. Це значно прискорює природний процес окислення. [3] X Джерело дослідження

  • Варіння зайвих 30 хвилин робить шар оксиду купруму товстим і крихким. Це дозволяє йому відірватися від міді. На міді залишиться тонкий шар оксиду купруму, який закриє шар оксиду міді, який потрібно оголити. [5] X Джерело дослідження
  • Зверніть увагу, що оксид купруму (купрум (II) оксид) є повністю окисленою формою, а купрум оксид (Cu2O) все ще знаходиться в активному стані.
  • Ви можете промити аркуш під водою, щоб видалити залишки чорних відкладень.
  • Оксид купруму є напівпровідником, і для того, щоб сонячна батарея працювала, його необхідно піддавати впливу.

Збірка сонячної батареї

Помістіть 2 мідні листи у свій контейнер. Вам потрібно буде зігнути обидві частини відповідно до кривизни пластикової пляшки. Обидві частини повинні поміститися в пляшку, не торкаючись одна одної. Під час згинання вареного листа намагайтеся не пошкодити червоний шар оксиду купруму. [7] X Джерело дослідження

Підключіть затискачі алігатора до кожного аркуша. Використовуйте затискачі-алігатори, щоб прикріпити обидві частини до протилежних сторін пластикової пляшки. Мідний лист з червоним оксидом купруму слід приєднати до затискача, який буде вести до негативної клеми, а чистий мідний лист можна приєднати до затискача, що веде до позитивної клеми. [8] X Джерело дослідження

  • Наприклад, розчиніть 1 ⁄4 склянки (59 мл) солі в 3 ⁄4 склянки (180 мл) води.
  • Використання дистильованої або деіонізованої води зменшить ризик забруднення.

Додайте солоної води, щоб покрити більшу частину 2 пластин. Залиште близько 2 дюймів (5.1 см) простору над солоною водою.Це дозволить струму рухатися від негативної клеми до позитивної. Будьте обережні, щоб затискачі у верхній частині двох аркушів були сухими. В іншому випадку вода на затискачах може заважати вашим показанням. [9] X Джерело дослідження

Тестування сонячної батареї

Розмістіть сонячну батарею на сонці. Коли сонце потрапляє на шар оксиду купруму, воно викликає вивільнення електронів. Оксид купруму не є провідним, але електрони здатні рухатися через солону воду до провідної мідної пластини. Ця пластина передає електрони до проводів. [10] X Джерело дослідження

Підключіть затискачі алігатора до мультиметра. Підключіть інший кінець затискачів алігатора до мультиметра або амперметра. Переконайтеся, що ваш лічильник може працювати в мікроамперметрі (0.000001 ампер) діапазон. Підключіть позитивний затискач до позитивної клеми вашого лічильника, а негативний. до негативної клеми лічильника. [11] X Джерело дослідження

Налаштуйте свій лічильник на читання мікроампер. Буде протікати дуже невелика кількість струму. Цей струм повинен падати десь між 0 і 50 мікроампер. Повернувши елемент так, щоб шар оксиду міді був звернений до найбільш прямих сонячних променів, ви отримаєте найбільший струм. [12] X Джерело дослідження

Експертна підтримка якості

Мередіт Юнкер (Meredith Juncker). кандидат наук з біохімії та молекулярної біології в Центрі наук про здоров’я Університету штату Луїзіана. Її дослідження зосереджені на білках та нейродегенеративних захворюваннях.

У солоній воді мідь набуває синювато-зеленого кольору (так звана патина). Це пов’язано з корозією солоної води.

Дякую! Ми раді, що це було корисно. Дякуємо за ваш відгук. В якості невеликої подяки ми хотіли б запропонувати вам подарункову картку на 30 гривень (дійсну в GoNift.com). Використовуйте його, щоб спробувати чудові нові продукти та послуги по всій країні, не сплачуючи повну ціну. вино, доставка їжі, одяг та багато іншого. Насолоджуйтесь! Якщо wikiHow допоміг вам, будь ласка, зробіть невеликий внесок, щоб підтримати нас у допомозі більшій кількості таких читачів, як ви. Ми прагнемо надавати світові безкоштовні довідкові ресурси, і навіть 1 допомагає нам у нашій місії. Підтримати wikiHow

Якщо у мене є мідні листи, які вже були окислені при виготовленні попередніх сонячних елементів, чи є спосіб повторно окислити мідні листи, щоб вони були повторно приготовані і пройшли той самий процес?

Мередіт Юнкер. кандидат наук з біохімії та молекулярної біології в Центрі наук про здоров’я Університету штату Луїзіана. Її дослідження зосереджені на білках та нейродегенеративних захворюваннях.

Мідні листи, які раніше використовувалися в сонячних елементах, можна розплавити і очистити від домішок, щоб отримати високоякісну мідь, але для цього знадобиться лабораторне обладнання.

Дякуємо! Ми раді, що це було корисно. Дякуємо за ваш відгук. В якості невеликої подяки ми хотіли б запропонувати вам подарункову картку на 30 гривень (дійсну в GoNift).com). Використовуйте її, щоб спробувати чудові нові продукти та послуги по всій країні, не сплачуючи повну вартість. вино, доставка їжі, одяг та багато іншого. Насолоджуйтесь! Якщо wikiHow допоміг вам, будь ласка, зробіть невеликий внесок, щоб підтримати нас у допомозі більшій кількості таких читачів, як ви. Ми прагнемо надавати світові безкоштовні ресурси з інструкціями, і навіть 1 допомагає нам у нашій місії. Підтримайте wikiHow

Unfortunately this method is not efficient for powering much of anything, even something small. Його краще використовувати для демонстрації хімії, пов’язаної з виробництвом сонячних панелей, а не як життєздатну сонячну панель.

Дякуємо! Ми раді, що це було корисно. Дякуємо за ваш відгук. Як невелику подяку, ми хотіли б запропонувати вам подарункову картку на 30 грн (дійсну на GoNift.com). Використовуйте його, щоб спробувати нові чудові продукти та послуги по всій країні, не сплачуючи повну ціну. вино, доставка їжі, одяг та багато іншого. Насолоджуйтесь! Отримати подарунок Якщо wikiHow допоміг вам, будь ласка, зробіть невеликий внесок, щоб підтримати нас у допомозі більшій кількості таких читачів, як ви. Ми прагнемо надавати світові безкоштовні ресурси з інструкціями, і навіть 1 допомагає нам у нашій місії. Підтримайте wikiHow

Ви можете зробити це без солоної води, якщо покласти провідну металеву сітку або мідну облямівку над шаром оксиду міді, щоб транспортувати електрони з поверхні до дроту. Ці методи роблять панель плоскою, але менш ефективною, оскільки сітка блокує частину сонячного світла, і тільки електрони поблизу провідника можуть транспортуватися. [13] X Джерело дослідження [14] X Джерело дослідження

Не намагайтеся видалити весь чорний оксид купруму. Це може призвести до пошкодження шару оксиду купруму.

сонячний, елемент, основа, оксиду, міді

Не сподівайтеся, що ви зможете захистити свій будинок від цього. Потрібні гектари землі та мільйони доларів міді лише для того, щоб виробити достатньо енергії для роботи електричної плити, яка використовується на другому кроці. Хоча він демонструє ті ж наукові принципи, що і комерційно життєздатні фотоелектричні елементи, він на порядки менш ефективний.

Вам також може сподобатися

Як швидко зробити мідь темнішою

11 способів підвищити ефективність використання сонячної енергії

Як захистити сонячні панелі від граду: Інформаційний посібник

Як вибрати найкращі сонячні панелі. все, на що слід звернути увагу

Залишити відповідь