RU2626752C1 - Тандемный металлооксидный солнечный элемент - Google Patents
Тандемный металлооксидный солнечный элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626752C1 RU2626752C1 RU2016116137A RU2016116137A RU2626752C1 RU 2626752 C1 RU2626752 C1 RU 2626752C1 RU 2016116137 A RU2016116137 A RU 2016116137A RU 2016116137 A RU2016116137 A RU 2016116137A RU 2626752 C1 RU2626752 C1 RU 2626752C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal oxide
- tandem
- light flux
- sensitized
- solar
- Prior art date
Links
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 title claims abstract description 29
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 48
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims abstract description 10
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 11
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 26
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 7
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical compound [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- KTSFMFGEAAANTF-UHFFFAOYSA-N [Cu].[Se].[Se].[In] Chemical compound [Cu].[Se].[Se].[In] KTSFMFGEAAANTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики. Тандемный металлооксидный солнечный элемент содержит два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного металлооксида, имеющих общий промежуточный токосъемный контакт, при этом согласно изобретению общий промежуточный токосъемный контакт размещен на стеклянной подложке, расположенной между верхним и нижним по ходу светового потока МО СЭ, на которую со стороны, обращенной к верхнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесен проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, а с противоположной стороны стеклянной подложки, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесено проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием, служащее для нижнего МО СЭ проводящим электродом, при этом верхний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 400-650 нм, а нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 650-1000 нм. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности и оптимизацию работы солнечного элемента как для высоких, мощностью 100-1000 Вт/м2, так и для низких интенсивностей светового потока в пределах 10-100 Вт/м2. 4 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам тандемного типа на основе металлооксидных солнечных элементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.
Уровень техники
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных элементов и панелей, которая показывает ежегодный прирост ~40%. Так мощность произведенных в 2014 г. в мире солнечных батарей превысила величину в 70 ГВт, а годовой оборот средств, связанных с исследованием, производством и разработкой инфраструктуры солнечных элементов и панелей, составляет около 100 млрд. долларов США. Развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования параметров солнечных элементов (СЭ), важной характеристикой которых является эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД). Однако определяющим фактором конкурентоспособности СЭ является чисто экономический параметр стоимости ватта мощности солнечного элемента, который составляет сейчас менее 1 доллара США за один ватт.
Наряду с этим, в последнее время особое внимание уделяется эффективности работы СЭ не только в условиях прямого солнечного излучения (в режиме AMI,5, что соответствует интенсивности излучения 1000 Вт/м2), но и при низкой освещенности (при интенсивности 10-100 Вт/м2), то есть в тех реальных условиях, в которых большую часть времени функционирует СЭ, расположенный на широте средней или северной полосы Европы и России. Традиционные СЭ на основе кристаллического или аморфного кремния хорошо зарекомендовали себя для работы в условиях высокой интенсивности солнечного освещения, а также при использовании в условиях заатмосферного солнечного излучения для спутников и космических станций (при освещении АМ0). Однако в силу структурных особенностей кристаллического кремния, КПД кремниевых СЭ при низкой освещенности и в условиях пасмурной погоды существенно снижается. В связи с этим, в последние годы все больший интерес привлекают СЭ 3-го поколения на основе сенсибилизированных красителями нанокристаллических металлооксидных мезоструктур - металлооксидные солнечные элементы (МО СЭ) (международное английское название - nanocrystalline mesoscopic dye-sensitized solar cell, DSSC). В отличие от твердотельных кремниевых СЭ, благодаря своим особенностям, МО СЭ могут утилизировать солнечную энергию с высокой эффективностью независимо от интенсивности солнечного освещения в пределах 10-1000 Вт/м2, а также функционировать при низких углах падения света и в условиях диффузной освещенности. МО СЭ к настоящему времени показывают КПД преобразования более 12%, что превышает эффективность традиционных тонкопленочных СЭ на основе аморфного кремния (~6-7%) и не уступает эффективности тонкопленочных СЭ на основе микроморфного кремния, сконструированных на основе тандемной схемы. Дальнейшее увеличение эффективности МО СЭ возможно за счет создания тандемных систем различного типа, в которых входящие в тандемную структуру СЭ утилизируют солнечное излучение в различных, взаимодополняющих областях солнечного спектра.
Известен МО СЭ на основе нанокристаллического диоксида титана, впервые представленный группой под руководством М. Гретцеля (заявка WO №91/16719, опубл. 31.10.1991) для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения. МО СЭ состоит из мезоскопического слоя нанокристаллического диоксида титана толщиной около 10 мкм, сенсибилизированного молекулами красителя, которые поглощают световое излучение в диапазоне 400-650 нм. Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую такого МО СЭ составляет около 8%.
Главным недостатком данного типа МО СЭ является ограниченная область оптического поглощения световой энергии, которая обусловлена областью поглощения органического сенсибилизатора: солнечное излучение утилизируется в относительно узкой коротковолновой области солнечного спектра (400-650 нм). Этот факт не позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в данном типе МО СЭ, так как значительная часть энергии солнечного спектра в длинноволновой видимой области и в ближней инфракрасной (ИК) области в нем не утилизируется.
Впервые схема тандемного МО СЭ на основе сочетания двух МО СЭ была предложена О. Шевалеевским и сотрудниками в 2003 г. (О. Chevaleevski, L. Larina, K.S. Lim "Nanocrystalline tandem photovoltaic cell with twin dye-sensitized anodes". IEEE Conf. Publ. Proc. 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol. 1, p.23-26, 2003). Особенностью указанного типа тандемного МО СЭ является использование проницаемого для электролита платинизированного сетчатого противоэлектрода, расположенного между двумя МО СЭ, фоточувствительные области которых ориентированы навстречу друг другу.
Главным недостатком предложенной тандемной схемы является конструктивная сложность установки и герметизации платинизированного сетчатого противоэлектрода, а также ослабление интенсивности светового потока, падающего на нижний МО СЭ, после его прохождения через сетчатый противоэлектрод. В результате, в предложенной тандемной схеме достигается незначительное увеличение эффективности преобразования световой энергии по сравнению с эффективностью верхнего, по ходу светового потока, МО СЭ.
Известен тандемный СЭ для выработки электричества в условиях прямого солнечного освещения, который представляет собой сочетание МО СЭ и твердотельного СЭ на основе халькогенида CIGS (Cu-In-Ga-Se), описанный в работе: P. Liska, К. Trampi, М. Gratzel "Nanocrystalline dye-sensitized solar cell/copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency". Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p.203103. Данная конструкция представляет собой два расположенных один под другим СЭ, верхний из которых является МО СЭ, который поглощает и утилизирует часть солнечного излучения в спектральном диапазоне 400-650 нм и пропускает оставшуюся часть света к нижнему твердотельному СЭ типа CIGS, который утилизирует и превращает в электричество оставшуюся часть солнечного излучения в спектральном диапазоне 650-1100 нм.
Главным недостатком этого тандемного СЭ является использование в схеме двух СЭ различного типа: твердотельного СЭ на основе CuInGaSe и МО СЭ, выходные электрические характеристики которых практически невозможно согласовать. В результате, данная тандемная система может быть эффективной только в условиях высокой освещенности на уровне 1000 Вт/м. Однако при работе в условиях низкой и диффузной освещенности суммарная эффективность тандемного СЭ данного типа значительно уменьшается из-за несогласованности выходных электрических параметров, реализуемых при преобразовании света верхним и нижним СЭ, и преимущества тандемной схемы оказываются незначительными.
Известен тандемный СЭ, состоящий из двух расположенных один под другим МО СЭ, которые сенсибилизированы различными красителями, описанный в работе М. Durr, A. Bamedi, A. Yasuda, G. Nellesa "Tandem dye-sensitized solar cell for improved power conversion efficiencies". Appl. Phys. Lett., 84 (2004), p.3397. Верхний, по ходу светового потока, МО СЭ поглощает и утилизирует часть солнечного излучения в спектральном диапазоне 400-650 нм и пропускает оставшуюся часть света к нижнему МО СЭ, который утилизирует и превращает в электричество оставшуюся часть солнечного излучения в спектральном диапазоне 400-750 нм.
Недостатками этого тандемного СЭ является его низкая суммарная эффективность равная 10,5%. Причиной низкой эффективности является то, что нижний, по ходу падающего света, МО СЭ сенсибилизирован красителем, спектральная характеристика которого мало отличается от спектра поглощения красителя верхнего МО СЭ. В результате, тандемная конструкция лишь незначительно (примерно на 10%) увеличивает эффективность верхнего МО СЭ, которая составляет ~9%.
Наиболее близким к заявляемому тандемному МО СЭ является тандемный МО СЭ, описанный в патенте США №8530738, опубл. 10.09.2013 (прототип). Тандемный СЭ-прототип состоит из двух расположенных один под другим по ходу светового потока МО СЭ, которые сенсибилизированы различными органическими красителями. Краситель первого по ходу светового потока МО СЭ обеспечивает максимальную эффективность СЭ-прототипу при поглощении света с длиной волны 500 нм, второй (по ходу светового потока) МО СЭ наиболее эффективен при длине волны 700 нм. В качестве общего для обоих МО СЭ промежуточного токосъемного контакта в устройстве-прототипе использована мезопористая структура диоксида титана, покрытая с одной стороны тонким слоем платины, служащим противоэлектродом для 1-го по ходу светового потока МО СЭ, а с другой стороны мезоструктурный диоксид титана покрыт проводящим слоем оксида олова, допированного фтором или индием, который служит проводящим электродом для второго (по ходу светового потока) МО СЭ тандемной конструкции СЭ-прототипа. При освещении в режиме AM 1,5 результирующие параметры тандемного МО СЭ-прототипа были следующие: плотность тока короткого замыкания составила 12,1 мА/см, напряжение холостого хода - 0,4 В, фактор заполнения (FF) - 0,6 и КПД - 2,9%.
Главным недостатком тандемного МО СЭ-прототипа является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую - КПД=2,9%. Отсутствие промежуточной твердой подложки для крепления токосъемного контакта, роль которой в тандемном МО СЭ-прототипе выполняет мезоструктурный слой диоксида титана, приводит к нестабильности работы данного типа тандемного СЭ и снижению его эффективности. Низкая эффективность СЭ-прототипа обусловлена также использованием в качестве сенсибилизаторов органических красителей, которые слабо поглощают в длинноволновой видимой и не поглощают в ближней ИК-области солнечного спектра.
Сущность изобретения
Задачей заявляемого изобретения является разработка тандемного МО СЭ, состоящего из двух СЭ на основе сенсибилизированных металлооксидных мезоструктур, конструкция которого обеспечит стабильную работу устройства и позволит повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, при этом конструкция заявляемого тандемного МО СЭ должна быть достаточно простой. Заявляемый тандемный МО СЭ должен обеспечивать поглощение и преобразование в электричество практически всей световой энергии солнечного излучения, включая коротковолновую и длинноволновую области видимого спектра и ближнюю ИК-область, что также позволит увеличить эффективность его работы.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым тандемным металлооксидным солнечным элементом, содержащим два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированных металлооксидов, в котором общий промежуточный токосъемный контакт размещен на стеклянной подложке, расположенной между верхним и нижним по ходу светового потока МО СЭ, на которую со стороны, обращенной к верхнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесен проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, а с противоположной стороны стеклянной подложки, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесено проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием, служащее для нижнего МО СЭ проводящим электродом, при этом верхний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 400-650 нм, а нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 650-1000 нм.
Мезоскопические слои сенсибилизированного металлооксида могут быть выполнены из нанокристаллического металлооксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.
Проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, может быть нанесен на проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием.
Проводящие покрытия, нанесенные на стеклянную подложку для общего промежуточного токосъемного контакта, являются прозрачными.
Нижний по ходу светового потока МО СЭ может быть сенсибилизирован квантовыми точками, поглощающими солнечный свет в диапазоне длин волн 600-1300 нм.
Предлагаемый тандемный МО СЭ, содержащий два МО СЭ, имеет конструкцию с общим для обоих МО СЭ токосъемным центральным контактом, размещенным на стеклянной подложке, который включает одновременно противоэлектрод для верхнего по ходу светового потока МО СЭ и проводящий электрод для нижнего МО СЭ, что позволяет повысить надежность работы тандемного МО СЭ. Такая схема предлагаемого тандемного МО СЭ позволяет осуществлять как параллельное, так и последовательное подсоединение к внешней нагрузке обоих МО СЭ и достигать высоких значений КПД преобразования световой энергии в электрическую, при этом конструкция тандемного МО СЭ является достаточно простой.
В заявляемом тандемном МО СЭ верхний элемент, на который непосредственно падает световой поток, поглощает и преобразует солнечное излучение в коротковолновой области спектра, и пропускает оставшуюся неутилизированную длинноволновую видимую и ближнюю ИК-часть солнечного излучения ко второму, нижнему по ходу светового потока, МО СЭ тандемного МО СЭ. Нижний, по ходу светового потока, МО СЭ тандемного МО СЭ расположен непосредственно под верхним МО СЭ. Прошедшая через верхний МО СЭ и не поглощенная им часть светового потока поглощается и преобразуется нижним МО СЭ. Таким образом, предлагаемый тандемный МО СЭ обеспечивает поглощение и преобразование в электричество практически всей световой энергии солнечного спектра. В верхнем МО СЭ в качестве сенсибилизатора используется органический краситель, поглощающий в диапазоне 400-650 нм, нижний МО СЭ поглощает свет в диапазоне длин волн 600-1000 нм, он сенсибилизирован другим типом органического красителя или квантовыми точками.
На фигуре представлена схема предлагаемого тандемного МО СЭ.
В предлагаемом тандемном МО СЭ в качестве подложки для верхнего, по ходу падающего светового потока, МО СЭ используется прозрачная стеклянная подложка (1а), покрытая со стороны, противоположной направлению светового потока, прозрачным проводящим слоем оксида олова, допированного фтором (FTO) (2а), на который нанесен мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида (3а). За слоем сенсибилизированного металлооксида (3а) расположен слой электролита (4).
В качестве противоэлектрода для верхнего МО СЭ использован тонкий прозрачный слой платины (5а), нанесенный со стороны, обращенной к верхнему МО СЭ, на центральную стеклянную подложку (lb), покрытую с обеих сторон прозрачными проводящими слоями FTO (2b и 2с).
Нижний по ходу светового потока МО СЭ, включающий мезоскопический слой сенсибилизированного металлооксида (3b) и слой электролита (4), размещен на центральной стеклянной подложке (lb). Центральная стеклянная подложка (lb) со стороны, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, покрыта прозрачным проводящим слоем FTO (2с), служащим для нижнего МО СЭ проводящим электродом.
В качестве противоэлектрода для нижнего МО СЭ использован тонкий прозрачный слой платины (5b), нанесенный на проводящий слой FTO (2d) на стеклянной подложке (1 с).
Таким образом, на центральной стеклянной подложке (lb) размещен общий для обоих МО СЭ предлагаемого тандемного МО СЭ промежуточный токосъемный контакт, включающий платиновый противоэлектрод (5а) (для верхнего по ходу светового потока МО СЭ) и проводящий электрод (2с) (для нижнего по ходу светового потока МО СЭ). Оба МО СЭ тандемного МО СЭ подключены по параллельной схеме к нагрузке (6).
Пример.
Функционирование предлагаемого тандемного МО СЭ на основе двух МО СЭ было проверено на изготовленном лабораторном образце, состоящем из верхнего по ходу светового потока МО СЭ на основе нанокристаллического диоксида титана в качестве металлооксида, сенсибилизированного красителем N719, поглощающего солнечный свет в области 400-650 нм, и нижнего МО СЭ на основе нанокристаллического диоксида титана в качестве металлооксида, сенсибилизированного красителем "Black Dye", который поглощал прошедший через верхний МО СЭ солнечный свет в спектральной области 650-1000 нм. В конструкции тандемного МО СЭ был использован общий центральный контакт на стеклянной подложке, являющийся одновременно проводящим противоэлектродом на основе платины для верхнего по ходу светового потока МО СЭ и проводящим электродом для нижнего по ходу светового потока МО СЭ. Оба МО СЭ тандемного МО СЭ были подключены по параллельной схеме, аналогичной той, которая показана на приведенной фигуре. Верхний МО СЭ был сформирован на прозрачной стеклянной подложке, нижняя часть которой, по ходу светового потока, покрыта прозрачным электрическим контактом на основе оксида олова, допированного фтором (FTO), толщиной 30 нм с удельным сопротивлением 10 Ом×см. На поверхности проводящего слоя был сформирован мезоскопический слой металлооксида толщиной 10 мкм, состоящий из наночастиц диоксида титана (ТiO2) размером ~20 нм. В мезоскопическом слое отдельные наночастицы ТiO2 имели между собой электрический контакт и образовывали пористую структуру с размерами пор около 20 нм. Поверхность мезопористой структуры верхнего МО СЭ в объеме была покрыта монослоем молекул сенсибилизатора N719 (Solaronix, Швейцария). Пространство мезослоя заполнялось йодсодержащим электролитом. Мезоскопический слой диоксида титана, сенсибилизированного красителем, примыкал к контактному прозрачному противоэлектроду в виде слоя платины толщиной ~40 нм, который был нанесен на общую для обоих МО СЭ тандемного МО СЭ центральную стеклянную подложку. С противоположной, по ходу светового потока, стороны общая центральная стеклянная подложка была покрыта контактным проводящим слоем на основе оксида олова, допированного фтором (FTO) толщиной 30 нм с удельным сопротивлением 10 Ом×см. Сформированный на этой проводящей подложке второй или нижний, по ходу светового потока, МО СЭ сконструирован по той же схеме, что и верхний МО СЭ, но отличается типом сенсибилизатора, в качестве которого был использован краситель "Black Dye" (Solaronix, Швейцария), который обладает спектральной чувствительностью в более длинноволновой области спектра, по сравнению с красителем N719. При освещении поверхности тандемного МО СЭ в объеме мезоскопических слоев происходит процесс захвата квантов света молекулами сенсибилизаторов, перенос электрона из основного в возбужденное состояние молекул сенсибилизатора, и в качестве следующей стадии инициируется перенос электронов из молекул сенсибилизаторов в зону проводимости диоксида титана. Далее происходит диффузионный перенос электронов через объем мезослоев металлооксида к проводящим контактам МО СЭ. Роль электролита в объеме мезоскопической системы заключается в восполнении носителей заряда в молекулах красителя через редокс-пару от противоэлектродов каждого из МО СЭ, выполненных на основе платины.
Верхний, по ходу светового потока, МО СЭ абсорбирует солнечное излучение в коротковолновой области видимого спектра и пропускает оставшуюся часть солнечного излучения в длинноволновой видимой и ближней ИК-области спектра к нижнему МО СЭ тандемного МО СЭ. Подключение к нагрузке предлагаемого тандемного МО СЭ осуществляется по параллельной схеме, которая проиллюстрирована на фигуре.
Измерения характеристик представленного в качестве примера тандемного МО СЭ были проведены при освещении солнечным имитатором в режиме AM1,5 (1000 Вт/м2) и показали следующие результаты. Плотность тока короткого замыкания составила 33,2 мА/см2, напряжение холостого хода - 0,7 В, фактор заполнения - 0,67 и КПД - 15,6%.
Полученные данные свидетельствуют о том, что заявляемый тандемный МО СЭ обладает высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую и значительно превосходит по своим характеристикам прототип. В частности, КПД предлагаемого тандемного МО СЭ выше более чем в 5 раз (КПД МО СЭ-прототипа составляет 2,9%).
Таким образом, предложен тандемный МО СЭ, конструкция которого обеспечивает стабильную работу устройства и позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Заявляемый тандемный МО СЭ, благодаря близким значениям напряжений холостого хода обоих входящих в его состав МО СЭ и использованию общего центрального контакта, позволяет эффективно осуществить параллельное подключение к нагрузке обоих МО СЭ и существенно повысить КПД преобразования световой энергии в электрическую. Конструкция предлагаемого тандемного МО СЭ отличается достаточной простотой.
Заявляемый тандемный МО СЭ обеспечивает эффективное поглощение и преобразование в электричество практически всей световой энергии солнечного спектра: в коротковолновой и длинноволновой области видимого спектра и в ближней ИК-области, и обеспечивает увеличение эффективности преобразования световой энергии в электричество как при высокой интенсивности светового потока (100-1000 Вт/м2), так и при низкой и диффузной освещенности (10-100 Вт/м2 и ниже).
Claims (5)
1. Тандемный металлооксидный солнечный элемент, содержащий два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного металлооксида, имеющих общий промежуточный токосъемный контакт, отличающийся тем, что общий промежуточный токосъемный контакт размещен на стеклянной подложке, расположенной между верхним и нижним по ходу светового потока МО СЭ, на которую со стороны, обращенной к верхнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесен проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, а с противоположной стороны стеклянной подложки, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесено проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием, служащее для нижнего МО СЭ проводящим электродом, при этом верхний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 400-650 нм, а нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 650-1000 нм.
2. Тандемный металлооксидный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что мезоскопические слои сенсибилизированного металлооксида выполнены из нанокристаллического металлооксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.
3. Тандемный металлооксидный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, нанесен на проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием.
4. Тандемный металлооксидный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что проводящие покрытия, нанесенные на стеклянную подложку для общего промежуточного токосъемного контакта, являются прозрачными.
5. Тандемный металлооксидный солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован квантовыми точками, поглощающими солнечный свет в диапазоне длин волн 600-1300 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016116137A RU2626752C1 (ru) | 2016-04-26 | 2016-04-26 | Тандемный металлооксидный солнечный элемент |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016116137A RU2626752C1 (ru) | 2016-04-26 | 2016-04-26 | Тандемный металлооксидный солнечный элемент |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2626752C1 true RU2626752C1 (ru) | 2017-07-31 |
Family
ID=59632497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016116137A RU2626752C1 (ru) | 2016-04-26 | 2016-04-26 | Тандемный металлооксидный солнечный элемент |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626752C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698533C1 (ru) * | 2018-10-02 | 2019-08-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Металлооксидный солнечный элемент |
| RU2776427C2 (ru) * | 2018-05-16 | 2022-07-19 | Эксегер Оперейшнз Аб | Фотоэлектрический прибор |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006339074A (ja) * | 2005-06-03 | 2006-12-14 | Gunze Ltd | 色素増感太陽電池の製造方法 |
| TW201039454A (en) * | 2009-04-30 | 2010-11-01 | Univ Minghsin Sci & Tech | Double-sided transparent plate structure of solar cell |
| CN202102899U (zh) * | 2011-06-30 | 2012-01-04 | 台燿科技股份有限公司 | 可双面受光的太阳能电池 |
| JP2013114778A (ja) * | 2011-11-25 | 2013-06-10 | Sony Corp | 光電変換素子、光電変換素子モジュール、光電変換素子モジュールの製造方法、電子機器および建築物 |
| US8530738B2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-09-10 | National University Corporation Kyushu Institute Of Technology | Dye-sensitized solar cell |
| RU2531767C1 (ru) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Тандемный солнечный фотопреобразователь |
| RU2531768C1 (ru) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Двусторонний солнечный фотопреобразователь (варианты) |
| US20150144199A1 (en) * | 2012-05-25 | 2015-05-28 | Korea Institute Of Industrial Technology | Dye-sensitized solar cell having carbon nano-web coated with graphene and method for manufacturing same |
-
2016
- 2016-04-26 RU RU2016116137A patent/RU2626752C1/ru active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006339074A (ja) * | 2005-06-03 | 2006-12-14 | Gunze Ltd | 色素増感太陽電池の製造方法 |
| US8530738B2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-09-10 | National University Corporation Kyushu Institute Of Technology | Dye-sensitized solar cell |
| TW201039454A (en) * | 2009-04-30 | 2010-11-01 | Univ Minghsin Sci & Tech | Double-sided transparent plate structure of solar cell |
| CN202102899U (zh) * | 2011-06-30 | 2012-01-04 | 台燿科技股份有限公司 | 可双面受光的太阳能电池 |
| JP2013114778A (ja) * | 2011-11-25 | 2013-06-10 | Sony Corp | 光電変換素子、光電変換素子モジュール、光電変換素子モジュールの製造方法、電子機器および建築物 |
| US20150144199A1 (en) * | 2012-05-25 | 2015-05-28 | Korea Institute Of Industrial Technology | Dye-sensitized solar cell having carbon nano-web coated with graphene and method for manufacturing same |
| RU2531767C1 (ru) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Тандемный солнечный фотопреобразователь |
| RU2531768C1 (ru) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Двусторонний солнечный фотопреобразователь (варианты) |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU2531768C1), 27.10.2014. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776427C2 (ru) * | 2018-05-16 | 2022-07-19 | Эксегер Оперейшнз Аб | Фотоэлектрический прибор |
| RU2698533C1 (ru) * | 2018-10-02 | 2019-08-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Металлооксидный солнечный элемент |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kumar et al. | Functionalized metal oxide nanoparticles for efficient dye-sensitized solar cells (DSSCs): A review | |
| Kouhnavard et al. | A review of semiconductor materials as sensitizers for quantum dot-sensitized solar cells | |
| Grätzel | The advent of mesoscopic injection solar cells | |
| Löper et al. | Organic–inorganic halide perovskite/crystalline silicon four-terminal tandem solar cells | |
| Kumar | Organic solar cells: device physics, processing, degradation, and prevention | |
| CN102214661B (zh) | 一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池 | |
| Rawal et al. | Dye sensitized Solar Cells: the emerging technology | |
| Chander et al. | Comparison of different types of solar cells–a review | |
| RU2531767C1 (ru) | Тандемный солнечный фотопреобразователь | |
| CN100544035C (zh) | 染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法 | |
| RU2626752C1 (ru) | Тандемный металлооксидный солнечный элемент | |
| CN202167502U (zh) | 一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池 | |
| Alfa et al. | Fabrication and Characterisation of Titanium Dioxide Based Dye Sensitized Solar Cell using Flame of the Forest Dye | |
| WO1999063599A1 (en) | Dye sensitized nano-structured photo-voltaic tandem cell | |
| Bhambhani | Quantum dot-sensitized solar cells: a review | |
| Van Roosmalen | Molecular-based concepts in PV towards full spectrum utilization | |
| Wang et al. | Experimental and simulation analysis of the dye sensitized solar cell/Cu (In, Ga) Se2 solar cell tandem structure | |
| Mahesh et al. | TiO2 microstructure, fabrication of thin film solar cells and introduction to dye sensitized solar cells | |
| Zhao et al. | CdTeO3 deposited mesoporous NiO photocathode for a solar cell | |
| RU2531768C1 (ru) | Двусторонний солнечный фотопреобразователь (варианты) | |
| Grätzel | Nanocrystalline ceramic films for efficient conversion of light into electricity: Code: F9 | |
| RU2698533C1 (ru) | Металлооксидный солнечный элемент | |
| Babkair et al. | Dye sensitized solar cells based on double-layered titanium dioxide and their evaluation in tropical hot desert climate of Saudi Arabia | |
| CN111508715A (zh) | 光发电元件 | |
| Lyu | Design, synthesis and study of functional organometallic ruthenium complexes for dye-sensitized solar cells and photoelectrochemical cells |