Способ повышения эффективности преобразования поглощенного потока энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с помощью образованного в структуре фотопреобразователя акусторезонансного фотоэлектронного электрического эффекта

Изобретение относится к способам повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию фотопреобразователем. Фотопреобразователь выполнен на базе монокристалла кремния со стационарным фоточувствительным слоем из p-n или n-p перехода. Способ характеризуется образованием в структуре фотоэлемента поперечных объемных сдвиговых волн на резонансной мегагерцевой частоте возбужденным пьезоэлементом из ниобата лития или кварца, размещаемым на поверхности фотоэлемента, который создает условия по эффективному преобразованию поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования поглощенной энергии. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Представляемое изобретение относится к процессу создания высокоэффективных преобразователей, преобразующих поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с помощью созданных в структуре фотопреобразователя монокристаллической кремниевой фотопластины ориентацией [111] объемных поперечных высокочастотных сдвиговых волн.

В результате воздействия на фотопреобразователь высокочастотными образованными периодическими сдвиговыми волнами, создаваемыми пьезоэлементом на базе из ниобата лития или кварца, располагающегося на поглощающей поверхности фотоэлемента, одновременно с р-n или n-р переходом возникает переменный фоточувствительный токовый слой в зоне проводимости, который связан с колебаниями электрического поля, образованного поляризованными разноименными зарядами атомов кремния, возникающими при воздействии ультразвуковых периодических высокочастотных колебаний на структуру данного фотоэлемента.

Образование токового фоточувствительного слоя в зоне проводимости, возникшего на основе «блуждающих» свободных носителей электрических зарядов, электронов, называемых в физике «темновым током», а также электронов, переведенных в зону проводимости с образованных четырех энергетических подуровней в валентной энергетической зоне атомов в результате ее энергетического расщепления при воздействии на структуру фотоэлемента высокочастотными периодическими колебаниями, возбужденными пьезоэлементом, расположенным на поверхности фотоэлемента, позволяет создавать переменные токовые потоки, превышающие в разы потоки постоянного тока в данном фотоэлементе, если он не подвержен высокочастотному ультразвуковому воздействию.

Такая величина полученного переменного тока, показанная на Фиг. 2 в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления в 5 Ом, подключенного параллельно к фотоэлементу, преобразующему поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, осциллографом, подключенным параллельно к данному сопротивлению, составляла порядка 440 мА на резонансной частоте воздействия на структуру фотоэлемента.

При отключении ультразвукового воздействия на структуру фотоэлемента величина постоянного тока, снятая амперметром, составляла 150 мА.

Полученные таким образом значимые переменные токовые величины, показанные на Фиг. 2 и на Фиг. 3, возникающие в фотоэлементе при преобразовании поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, связано с образованием в структуре фотоэлемента акусторезонансных фотоэлектронно-электрических эффектов на мегагерцовых частотах порядка 107-108, а также туннельного перехода в р-n или n-р переходах фотопреобразователя с временем перехода электрических зарядов, образующих переменный ток через туннельный переход, в пределах 10-7 с. Эти образованные эффекты возникают в структуре фотоэлемента в результате создания акусторезонансного электронно-электрического эффекта, показанного на Фиг. 1, без поглощения электромагнитных волн светового потока.

При этом, исходя из вышесказанного и обзора литературы по данному вопросу, связанному с описанием преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, видно, что в настоящее время интенсивно развивается направление исследований, связанных с воздействием ультразвуковых колебаний на различные свойства кристаллов. В качестве примеров можно упомянуть такие области, как акустооптика, техника пространственного и временного управления пучками излучений, способы измерения акустических полей и т.д. Основные физические задачи, как правило, состоят в изучении механизмов взаимодействия излучения с веществом при ультразвуковом возбуждении [1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10], а также в создании на основе этих механизмов высокочастотных устройств приборостроения.

В рассмотренных работах [9, 10, 11, 12, 13] одним из важных функциональных элементов для решения заявленных технических задач является дифракционно-акустооптические ячейки, образованные в результате возбуждения в монокристаллических структурах высокочастотных ультразвуковых объемных колебаний, которые не приемлемы для осуществления когерентного рассеяния из поглощенного электромагнитного светового потока лучей солнечного света и образования интерференционной волновой картины, создающей мощные энергетические волновые лучи с фокусировкой их на фоточувствительном слое преобразователя.

Как показали многочисленные исследования, использование высокочастотных колебаний при определенных условиях их распространения в монокристаллических полупроводниковых структурах дает возможность создавать высокоэффективные преобразователи энергии лучей солнечного света в электрическую энергию [8].

Поэтому, принимая во внимание сказанное и исследования в области создания нового типа преобразователей поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, был предложен новый способ преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию, связанный с акусторезонансным фотоэлектронным электрическим эффектом, возникающим в структуре фотопреобразователя, подверженного воздействию высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волн, образованных в результате генерации поперечных высокочастотных ультразвуковых волн пьезопреобразователем, расположенным на поглощающей поверхности кремниевого токристалла ориентации [111], возбуждаемого генератором высокочастотных сигналов.

Амплитуда воздействия напряжением, подаваемым на пьезопреобразователь через усилитель, достигала 10,0 В, падение напряжения на нем было не более 2,0 В. В зависимости от совершенства кремниевого монокристаллического фотопреобразователя, амплитуда воздействия на пьезопреобразователь может быть и больше используемого, для создания оптимальных условий преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с образованием фоточувствительного слоя в виде переменного тока в зоне проводимости.

Созданные пьезопреобразователем высокочастотные поперечные объемные волны, как известно, являющиеся сдвиговыми, проникая внутрь монокристалла кремния, образуют в результате своего воздействия на атомы, возбуждаемые в монокристаллических кремниевых фотопреобразователях, переменное электрическое поле из поляризованных разведенных разноименных электрических зарядов, периодически колеблющихся с определенной частотой и амплитудой, позволяющей перебрасывать в валентную энергетическую зону с орбитальных орбит возбужденных атомов электроны с расположением их на четырех энергетических подуровнях, возникших в результате расщепления энергетических уровней валентной зоны атомов от воздействия на структуру фотопреобразователя поперечных высокочастотных сдвиговых волн. Данное расщепление показано на Фиг. 1 в виде акусторезонансного электронно-электрического эффекта амплитудой 1,2 В.

Как видно из представленной фигуры, с правой стороны от вершины полученного акусторезонансного электронно-электрического эффекта образованы два энергетических подуровня с хорошей различимостью по высоте и расположению относительно друг друга и относительно основного акусторезонансного электронно-электрического эффекта, а два других - на левой ветви данной резонансной кривой. Полученные четыре энергетических подуровня на акусторезонансном электронно-электрическом эффекте являются продуктом расщепления энергетических уровней валентных зон атомов фотопреобразователя, подверженного периодическому высокочастотному ультразвуковому воздействию поперечными волнами.

На Фиг. 2 показан акусторезонансный фотоэлектронный электрический эффект амплитудой порядка 2,2 В, возникший в фотопреобразователе в результате облучения его лампой накаливания мощностью 30,0 Ват, снимаемый осциллографом с переменного сопротивления в 5 Ом, подключенного к фотопреобразователю параллельно.

При этом нужно также отметить, что величина полученного напряжения, показанная на Фиг. 2, в результате образования в структуре фотопреобразователя акусторезонансного фотоэлектронно-электрического эффекта при преобразовании поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, превышает величину электронно-электрического напряжения, полученного на акусторезонансном электронно-электрическом эффекте, почти в 2 раза.

Таким образом, образование фоточувствительного слоя, состоящего из подвижных носителей электрических зарядов, электронов, и имеющего синусоидальную форму колебания по напряжению амплитудой 1,2 В, в зависимости от частоты и амплитуды ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя позволяет, как показали эксперименты, создавать ток достаточной величины при поглощении фоточувствительным слоем энергии электромагнитных волн светового потока. Данный токовый поток, проходя через нагрузочное переменное сопротивление в 10,0 Ом, настроенного на величину сопротивления в 5,0 Ом, подключенного параллельно к преобразователю поглощаемой энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, диаметром 100,0 мм и толщиной в 380 мкн, созданного на базе монокристалла кремния, облучаемого лампой накаливания в 30,0 Ват и 180 люмен, находящегося на расстоянии 0,35 м от поглощающей поверхности фотопреобразователя, образовывалось напряжение в 2,2 В, снимаемое с сопротивления в 5,0 Ом, а сама величина тока составляла при таких технических и геометрических условиях общую величину тока 440,0 мА.

Таким образом, можно однозначно констатировать, что с помощью ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя с частотной настройкой на резонансное его воздействие на фотоэлемент можно получать значимые величины тока.

Данные полученные результаты по увеличению тока при данной описанной схеме преобразования показаны на Фиг. 3. с частотными и токовыми величинами. Величина образованного переменного тока измерялась амперметром.

Также были проведены эксперименты, связанные с освещением поглощающей поверхности данного фотопреобразователя световым потоком, проникшим с улицы в лабораторную комнату в условиях плотной облачности. При таких световых условиях и при высокочастотном переменном ультразвуковом воздействии на фотопреобразователь, к которому был подключен амперметр для фиксации величины переменного тока, была зафиксирована на акусторезонансном фотоэлектронном электрическом эффекте максимальная величина тока в пределах 12,0 мА, а без ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя величина постоянного тока находилась в пределах 4,2 мА. Для получения данных токовых величин фотоэлементом, созданным на базе монокристаллического кремния, частота ультразвукового воздействия на данный фотоэлемент изменялась в пределах 32,0-42,9 мГц.

Акусторезонансный фотоэлектронный переменный электрический ток от естественного светового освещения показан с частотными и амплитудными токовыми величинами на Фиг. 4.

Схема предложенного акусторезонансного фотоэлектрического элемента представлена на Фиг. 5.

Фотоэлемент содержит кремниевую пластину (1) толщиной 380 мм, диаметром 100,0 мм, с расположенными на ее поглощающей поверхности (2) токосъемными контактами и пьезопреобразователем (3), создающим поперечные высокочастотные ультразвуковые сдвиговые волны.

Фоточувствительный слой показан в виде синусоидальной волны (4), при этом тыльная токосъемная сторона фотопреобразователя энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию (5) полностью покрыта токосъемным сплошным металлическим контактом.

Предложенный фотоэлектрический элемент, являющийся одним из главных компонентов в образовании солнечных батарей, работает следующим образом. Электромагнитные волны светового потока с длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового излучения, падая на поглощающую поверхность фотопреобразователя (2) и проходя в приповерхностный фоточувствительный слой, отдают свою энергию переброшенным электронам, осевшим в энергетической валентной зоне атомов с ее расщепленных на четыре энергетических подуровней, расположенных симметрично относительно основной энергетической линии валентной зоны атомов фотопреобразователя. Перевод электронов с нижних электронных орбит возбужденных атомов в валентную энергетическую зону фотопреобразователя, осуществляемый в результате периодического акусторезонансного ультразвукового воздействия на структуру фотоэлемента, является существенным дополнительным источником повышения величины тока.

Для качественной оценки действия переменного тока, полученного с помощью данной схемы преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, был проведен эксперимент по нагреву переменным током кусочка нихромовой проволочки диаметром 0,9 мм и длиной приблизительно 1,5 см, контролируемого лабораторным термометром, приставленным к этой проволочке. Величина полученного тока контролировалась осциллографом через фотонапряжение, снимаемое с параллельно соединенных между собой сопротивления в 5,0 Ом и нихромового сопротивления в 1,2 Ом, в свою очередь подсоединенных параллельно к фотопреобразователю. При этом общая величина параллельно соединенных сопротивлений составляла порядка 1,3 Ом, проходящий через это сопротивление общий ток достигал величины 1,7 А, а величина напряжения, снимаемого с параллельно-соединенных сопротивлений, присоединенных к фотопреобразователю, преобразующего поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, составляла величину переменного напряжения порядка 2,2 В. Величина температуры нагрева, снимаемая с нихромового сопротивления, изменялась при прохождении тока через него в течении 5 минут при комнатной температуре с 21°С до 25,3°С.

Литература

1. Гаврилов В.Н., Золотоябко Э.В., Иолин Е.М. Динамическая дифракция мессбауэровских γ-квантов при ультразвуковом возбуждении. Изв. АН СССР. Сер.физ. - 1988 -т. 52, №9 - с. 1762-1767.

2. Иолин Е.М., Золотоябко Э.В., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Гаврилов В.Н. Интерференционные явления при динамической дифракции нейтронов в условиях ультразвукового возбуждения. ЖЭТФ. - 1986 - т. 91, №12 - с. 2132-2139.

3. Золотоябко Э.В., Иолин Е.М., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Гаврилов В.Н., Косарев В.А. Способ определения деформации монокристаллических пластин. Заявка на авторское свидетельство №4321878 с приоритетом от 26.10.87. Положительное решение от 29.09.88.

4. Иолин Е.М., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Золотоябко Э.В. Аномальное влияние высокочастотного ультразвука на дифракцию излучения в деформированных монокристаллах. ЖЭТФ. - 1988 - т. 94, №5. - с. 218-233.

5. Gavrilov V.N., Zolotoyabko E.V., Iolin Е.М., difraction in single Si crystal undergoing high-frequency ultrasonic exitation. The Bragg case. J.Phys. C: Solid State Phys. - 1988. V.21, N 2. - p. 471-483.

6. V. Gavrilovs, V. Kovaljev, E. Raitmans, J. Ekmanis. Patent LV No 14621, 20.12.2012.

7. E.M. Iolin, E.A. Raitman, V.N. Gavrilov, B.V. Kuvaldin and L.L. Rusevich. The effect of ultrasound on the diffraction in a deformed crystal under the conditions of x-ray acoustic resonance. J. Phys. D: Appl. Phys.28 (1995) - A281-286.

8. V. Gavrilovs, V. Kovalevs, E. Raitmans, J. Ekmanis, I. Sudraba, J.V. Nikitenko, D.V. Roshchupkin, A.A. Demin, S.A. Sakharov. Patent LV151086, 20.04.2016.

9. Xuy and Stroud R. Acousto-optic devices, New York, Wiley, 1992.

10. Goutzoulis A.P. and Pape D.R. Design and fabrication of Acousto-optic devices, New York, Marcel Dekker, 1994.

11. E. Raitman, V. Gavrilov and Ju. Ekmanis, Neutron Diffraction on Acoustic Waves in the Single Crystals in book: "Acoustic Waves", In Tech, Amsterdam, 2013.

12. Гуляев Ю.В., Проклов В.В., Шкердин Г.Н., Дифракция света на звуке в твердых телах, УФН, 1978, т. 124, В. 1, с. 64.

13. Яковкин И.Б., Петров Д.В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах, Новосибирск, 1979.

1. Способ повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию фотопреобразователем, созданным на базе монокристалла кремния со стационарным фоточувствительным слоем из p-n или n-p перехода, характеризующийся образованием в структуре фотоэлемента поперечных объемных сдвиговых волн на резонансной мегагерцевой частоте возбужденным пьезоэлементом из ниобата лития или кварца, размещаемого на поверхности фотоэлемента, который создает физические условия по эффективному преобразованию поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию характеризуется образованием в валентной энергетической зоне возбужденных атомов данного фотоэлемента четырех энергических подуровней в результате расщепления энергетической валентной зоны атомов при воздействии на структуру фотоэлемента высокочастотным ультразвуковым синусоидальным сигналом на резонансной частоте порядка 38,0 мГц.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в структуре фотопреобразователя в результате ультразвукового высокочастотного воздействия на его структуру на резонансной частоте возникает туннельный переход, характеризующийся тем, что обеспечивает свободный переход возбужденных электронов атомов в зону проводимости фотоэлемента в виде синусоидальной токовой волны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе.

Изобретение относится к области приборостроения. Оно может быть использовано в датчиках перемещений в системах навигации, автоматического управления и стабилизации подвижных объектов.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: приемник содержит основной и дополнительный пьезоэлементы, корпус, выполненный из теплопроводящего материала, например из металла.

Изобретение относится к оптическим проекционным системам; а более конкретно к периодической структуре из М x N тонкопленочных связанных с приводом зеркал для использования в такой системе и способ ее изготовления.

Изобретение относится к области датчиков, в которых используются устройства на полевых транзисторах. .

Изобретение относится к микроэлектронике, а точнее магнитоуправляемым интегральным схемам и может быть применено для создания ячеек памяти и в сенсорных устройствах управления.

Изобретение относится к источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности.

Солнечная панель (3) по настоящему изобретению, поверх которой перемещаются стрелки (7), установленные на стрелочной оси, вставленной в сквозное отверстие (3a), предусмотренное в центре солнечной панели (3), включает в себя центральный элемент (10), кругообразно сформированный вокруг сквозного отверстия (3a), и множество наружных периферийных элементов (11-15), сформированных по внешнему периметру центрального элемента (10) так, чтобы иметь практически одинаковые принимающие свет области.

Согласно изобретению предложена эффективная солнечная батарея, выполненная многопереходной с защитным диодом, причем у многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода имеется общая тыльная поверхность и разделенные меза-канавкой фронтальные стороны, общая тыльная поверхность включает в себя электропроводящий слой, многопереходная солнечная батарея включает в себя стопу из нескольких солнечных батарей и имеет расположенную ближе всего к фронтальной стороне верхнюю солнечную батарею и расположенную ближе всего к тыльной стороне нижнюю солнечную батарею, каждая солнечная батарея включает в себя np-переход, между соседними солнечными батареями размещены туннельные диоды, количество слоев полупроводника у структуры защитного диода меньше, чем количество слоев полупроводника у многопереходной солнечной батареи, последовательность слоев полупроводника у структуры защитного диода идентична последовательности слоев полупроводника многопереходной солнечной батареи, причем в структуре защитного диода выполнен по меньшей мере один верхний защитный диод и один расположенный ближе всего к тыльной стороне нижний защитный диод, а между соседними защитными диодами размещен туннельный диод, количество np-переходов в структуре защитного диода по меньшей мере на один меньше, чем количество np-переходов многопереходной солнечной батареи, на передней стороне многопереходной солнечной батареи и структуры защитного диода выполнена структура соединительного контакта, содержащая один или несколько слоев металла, а под структурой соединительного контакта выполнен состоящий из нескольких слоев полупроводника электропроводящий контактный слой, и эти несколько слоев полупроводника включают в себя туннельный диод.
Изобретение относится к области фотоэлектроники, а именно к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Изобретение относится к областям полупроводниковой фотоэлектроники, фотоэлектроэнергетики, к возобновляемым источникам энергии, к преобразователям энергии лазерного излучения.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических генераторов (ПФГ). .

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. .

Изобретение относится к устройствам преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано как в концентраторных фотоэлектрических модульных установках, так и в космических солнечных батареях.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к способам повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию фотопреобразователем. Фотопреобразователь выполнен на базе монокристалла кремния со стационарным фоточувствительным слоем из p-n или n-p перехода. Способ характеризуется образованием в структуре фотоэлемента поперечных объемных сдвиговых волн на резонансной мегагерцевой частоте возбужденным пьезоэлементом из ниобата лития или кварца, размещаемым на поверхности фотоэлемента, который создает условия по эффективному преобразованию поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования поглощенной энергии. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх