MLN-Si

Елементи фотовольтаїчної генерації на основі плівкової гетероструктури меланін-кремній

Розвиток сучасної фотоелектроніки, наноелектроніки, засноване на використанні різних нових високомолекулярних сполук. Нові технологічні застосування молекулярних сполук різної структури сьогодні стають фундаментом нових напрямків, як наукових досліджень, так і практичної реалізації при створенні сучасної спеціальної техніки. До нового перспективного органічного матеріалу, що володіє унікальними властивостями, слід сьогодні віднести меланін. Меланін - природний пігмент, який грає важливу роль у функціонуванні живих організмів. Меланін відомий з 70-х років минулого століття як речовина, що володіє напівпровідниковими властивостями.

Було встановлено, що меланін виявляє ефект перемикання при відносно невеликих електричних полях. Найбільш важливі наукові результати за квантовими ефектів в меланине, отримані раніше, зводяться до наступного: виділений водорозчинний меланін в окрему групу - водорозчинний пігмент, так як все меланіни є нерозчинними у воді пігментами. Shosuke Ito відзначив високу хімічну стійкість водорозчинного пігменту меланіну до хімічних реагентів. Нерозчинні у воді пігменти меланіни хімічно нестійкі, легко руйнувалися протягом декількох годин. Водорозчинний пігмент меланін володіє унікальними властивостями на відміну від відомих синтетичних меланінів.

Водорозчинний меланін є молекулярно чистим, що не має аналогів в спектрі подібних молекулярних сполук. Отриманий нами водорозчинний меланін при певних концентраціях (поводиться як ліотропний рідкий кристал).

Застосування меланіну в якості компонента органічного сонячного елемента може дозволити використовувати поглинання фотонів в широкій спектральній області.

В процесі виконання досліджень проведені:

  • Вимірювання діелекріческіх, оптоелектріческіх, магнітоелектричних характеристик гетероструктури;
  • Вимірювання вольтамперних, вольт-фарадних, люкс-амперних, яскравості і спектральних характеристик плівкових структур на основі водорозчинного меланіну. Ці вимірювання призначені для використання гетероструктур в якості активних верств діодних і транзисторних елементів, електролюмінісцентних і фотовольтаїчному пристроїв.
  • Вимірювання параметрів і характеристик структур метал-діелектрик-провідник;
  • Дослідження електричних властивостей меланиновой плівки - її вентильних і транзисторних функцій.

Основні критерії, яким повинен відповідати органічний напівпровідник:

  • його електронна структура повинна припускати, що вже при невеликих значеннях прикладеного поля в шарі органічного напівпровідника виникав значний струм.
  • молекулярна структура напівпровідника повинна забезпечувати значну перекриття зовнішніх орбіталей сусідніх молекул, щоб сприяти ефективній міграції заряду між поруч розташованими молекулами.
  • речовина має бути максимально хімічно чисте. Так як будь-які домішки діють як пастки носіїв заряду.
  • органічний напівпровідник повинен орієнтований уздовж каналу транзистора.
  • Напрямок каналу повинен співпадати з напрямом міжмолекулярної π-π сполученнями.
  • напівпровідник повинен однорідно заповнювати область між витоком і стоком, тобто мати квазі-монокристалічних структуру.

Водорозчинний меланін яку ми здобули і плівка на його основі відповідає всім перерахованим вище критеріям.

Отриманий нами водорозчинний меланін - це парамагнітна молекула з великою кількістю неспарених електронів.

Надпровідність водорозчинного меланіну - унікальна властивість цього органічного напівпровідника - використання, якого дозволить збільшити на кілька порядків технологічні можливості меланінових гетероструктур.

На основі вищевикладеного за період жовтня 2016 - лютого 2017 рр. були виконані наступні технологічні вимірювання і випробувані технологічні регламенти для виготовлення гетероструктури - меланінового плівка - пластина монокристалічного кремнію р-типу.

Перелік виконаних робіт:

  • Для вимірювання фотовольтаїчному характеристик створюваної гетероструктури виготовлені кремнієві пластини різної омності і типу провідності;
  • Отримано меланиновой плівки оптичної товщини на поверхні монокристалічних пластин р - типу;
  • Проведено спектроскопічні вимірювання световихода розчину меланіну і меланиновой плівки на поверхнях напівпровідників, металів і діелектриків;
  • Визначено величини потенційних бар'єрів переходів
    • меланін - кремній,
    • меланіну - кварц,
    • меланін - мідь, срібло, алюміній.
  • Визначено оптимальні товщини меланиновой плівки на кремнієвій пластині для визначення оптимального напруги генерується потоком електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні енергій фотонів;
  • Визначено параметри вхідних каналів перетворювачів напруга - струм в принциповій схемі інтеграції електричної потужності системи генерації;
  • Змонтовані два демонстраційних макета, що ілюструють роботу схеми фотвольтаіческой генерації гетероструктур меланінового плівка - пластина монокристалічного кремнію р-типу.

В результаті проведених технологічних досліджень отримані наступні технологічні результати:

Отримано плівка розчинної меланіну оптичної товщини:

H = 10 – 150 mkg/s²;

Розроблено і реалізовано технологію нанесення розчинної меланіну на поверхню монокристалічного кремнію р - типу. Час робочого стану меланиновой плівки на поверхні монокристалічного кремнію - 32 місяці;

Встановлено, що структури меланін - метали контактної групи не утворюють потенційних бар'єрів;

Спектр земних і галактичних фотонів, що генерують електричний потенціал в структурі меланінового плівка - монокристалічний кремній:

  • L = 0.05 - 15.0 мкм (УФ - ДВ ИК),
  • L = 0.35 - 0.75 мкм (видимий спектр);

Середнє значення щільності потоку фотонів на поверхні Землі при Т = 300К в досліджуваному діапазоні довжин хвиль:

  • Пдн (сумарне) = 3.0*1065 (фотон/см2) с,
  • Пнч (сумарне) = 2.0*1050 (фотон/см2) с,
  • Пвид (сумарне) = 1.5*1017 (фотон/см2) с.

Отримано значення потенціалу бар'єру меланін-кремній

V (р-тип) = 1.5 – 5.0 В,
V (n-тип) = 3.0 – 10.0 В.
[Значення потенціалу бар'єра n – p в кремнії V(Si)=0.2 - 0.55B]

Характеристики

Виготовлений фотоелемент на основі структури меланінового плівка - монокристал Si з наступними параметрами:

Параметр
Значення
спектральний діапазон
УФ - ІК
робоча поверхня одного елемента генерації
S = 10 * 0.1см = 0.1см2
напруга, що генерується
Vφ = 150μВ
генерований струм
Iφ = 0.4мA
потужність фотоелемента
Wφ = 0.6 * 10-3Вт
потужність площі генерації 125х125 см
Wφп = 3.09Вт
потужність панелі з 72 пластин
Wп = 220Вт
час постійної генерації
Tг = 24 години на добу

Висновки

  1. Вперше в світі отримана плівка меланіну оптичної товщини, що володіє напівпровідниковими властивостями.
  2. Вперше в світі отримана фотовольтаїчні структура меланінового плівка - кремнієва пластина, яка генерує електричний потенціал порядку 10В, при трансформації потоку фотонів Пф = 3.0*1065 (фото/см2) с, в діапазоні хвиль L = 0.05 – 15.0 мкм. (в 40 разів перевищує потік фотонів у видимому спектрі)
  3. Створена гетероструктура реєструє додатково цілодобово потік фотонів Пдоп. = 2.0 1049 (фотонів/см2) с.
UA EN