Устройство и способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к устройству и способу преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию. Устройство для преобразования ультрафиолетового излучения содержит оптический фильтр и фотоэлектрический преобразователь, между оптическим фильтром и фотоэлектрическим преобразователем установлен сцинтиллятор и люминофор для преобразования ультрафиолетового излучения в красную область спектра, например, в виде пластины иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y3Al5O12:Eu2+ или ионов церия Y3Al5O12:Се3+, а фотоэлектрический преобразователь выполнен с максимумом спектральной чувствительности в красной области спектра 620-780 нм. Также предложен способ преобразования энергии ультрафиолетового излучения. Предложенные изобретения обеспечивают повышение эффективности преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в диапазоне 200-380 нм, при этом спектральная чувствительность устройства в ультрафиолетовом диапазоне увеличится до 0,6-0,8 относительных единиц, а эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения увеличится в 2-3 раза. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к устройству и способу преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию.

Известно устройство для преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию, содержащее оптический фильтр типа УФС-3 и фотодатчик ФС-К2. Оптический фильтр пропускает только ультрафиолетовое излучение, а фотодатчик преобразует энергию ультрафиолетового излучения в электрическую энергию (Механизация и электрификация сельского хозяйства, М., 2005, № 6, С. 10-11).

Недостатком известного устройства является узкая область (300-400 нм) пропускания оптическим фильтром ультрафиолетового излучения, которое имеет диапазон 200-380 нм.

Другим недостатком является низкая спектральная чувствительность фотодатчика ФС-К2 в области ультрафиолетового излучения.

В настоящее время разработаны высокоэффективные фотопреобразователи солнечного излучения на основе кремния и гетероструктур с КПД 22-35% (Стребков Д.С. Основы солнечной энергетики. М. 2019, изд. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, С. 152-200). Однако известные фотопреобразователи имеют низкую спектральную чувствительность 0,2-0,3 относительных единиц в ультрафиолетовой области спектра.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и способа преобразования всего спектра ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с высокой спектральной чувствительностью и КПД.

Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в диапазоне 200-380 нм.

В результате использования предлагаемого изобретения спектральная чувствительность устройства в ультрафиолетовом диапазоне увеличится до 0,6-0,8 относительных единиц, а эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения увеличится в 2-3 раза.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования ультрафиолетового излучения, содержащем оптический фильтр и фотоэлектрический преобразователь, согласно изобретению, между оптическим фильтром и фотоэлектрическим преобразователем установлены сцинтиллятор и люминофор для преобразования ультрафиолетового излучения в красную область спектра, например, в виде пластины иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y3Al5O12:Eu2+ или ионов церия Y3Al5O12:Се3+, а фотоэлектрический преобразователь выполнен с максимумом спектральной чувствительности в красной области спектра 620-780 нм.

Технический результат достигается также тем, что в способе преобразования энергии ультрафиолетового излучения путём выделения ультрафиолетового диапазона спектра в области 200-380 нм с помощью оптического фильтра и преобразования энергии излучения ультрафиолетового диапазона в электрическую энергию согласно изобретению, ультрафиолетовый диапазон спектра излучения преобразуют с помощью сцинтиллятора и люминофора, например, на основе иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y3Al5O12:Eu2+ или ионов церия Y3Al5O12:Се3+ в красный диапазон спектра излучения 620-780 нм, а фотоэлектрический преобразователь имеет максимальную спектральную чувствительность в диапазоне 620-780 нм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема устройства преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию, на фиг. 2 – теоретическая и экспериментальная спектральные характеристики кремниевого преобразователя с КПД 20%.

На фиг. 1 оптическое излучение 1 от Солнца или другого источника излучения поступает на оптический фильтр 2, который выделяет ультрафиолетовое излучение 3 с длиной волны в диапазоне 200-380 нм. Ультрафиолетовое излучение 3 поступает в сцинтиллятор - люминофор 4, например, на основе иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12:Eu2+. Сцинтиллятор - люминофор 4 преобразует ультрафиолетовое излучение 3 в излучение 5 с максимумом в красной области спектра 620-780 нм.

Излучение 5 поступает на фотоэлектрический преобразователь 6, имеющий максимальную спектральную чувствительность к излучению 5 в красной области спектра. Электрическая энергия от фотоэлектрического преобразователя 6 поступает по электрическим токовыводам 7 к нагрузке 8. Электрический сигнал на нагрузке 8 регистрируется измерительным прибором 9.

Способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию осуществляют следующим образом.

Ток короткого замыкания фотоэлектрического преобразователя, А/см3, равен

Iкз = q Nф β Q (1-R), (1)

где q – заряд электрона, q = 1,6×10-19 К;

Nф – число фотонов в спектре падающего излучения на 1 см2 площади;

β – квантовый выход;

Q – эффективность собирания носителей зарядов;

R – коэффициент отражения.

Спектральная чувствительность С, А/Вт

С = = , (2)

где P – мощность монохроматического излучения, Вт;

hν – энергия фотона;

h – постоянная Планка;

ν – частота излучения.

Принимая ν = , где с – скорость света; λ – длина волны излучения, получим

С(λ) = = , (3)

где к = – постоянная, слабо зависящая от длины волны.

На фиг. 2 теоретическая спектральная чувствительность С(λ) 1 является линейной функцией длины волны λ. Выражение С(λ) = справедливо в диапазоне спектральной чувствительности от λ = 0 до λ = λ0, при котором квантовый выход β равен нулю. λ0 называют «длинноволновой границей фотоэффекта» или «границей собственного поглощения».

λ0 = , где Ед - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала фотопреобразователя 6. Для фотопреобразователей из кремния λ=1120 нм. Спектральная чувствительность С(λ) фотоэлектрического преобразователя увеличивается с ростом длины волны излучения как для теоретической кривой 1, так и для экспериментальной кривой 2. Увеличение экспериментальной спектральной характеристики по сравнению с теоретической в коротковолновой области обусловлено увеличением квантового выхода для высокоэнергетических фотонов и снижением рекомбинационных потерь за счёт пассивации легированного слоя фотопреобразователя.

Спад спектральной характеристики в длинноволновой области связан с увеличением потерь на пропускание для фотонов с энергией, близкой к энергии запрещённой зоны и уменьшением эффективности собирания при длине волны λ, близкой к λ0.

Эффективность фотопреобразователя для монохроматического излучения

η = = = SλmV0, (4)

где m – коэффициент заполнения вольтамперной характеристики;

V0 – фотоЭДС;

Рэл – электрическая мощность фотопреобразователя.

Подставив С(λ) = ,получим

η = к m V0 λ (5)

Таким образом, эффективность полупроводникового фотопреобразователя при заданных β0, Q, R, λ0 увеличивается с ростом длины волны λ.

Сцинтиллятор - люминофор 4 переизлучает поступающие фотоны с большой энергией hν= , соответствующей ультрафиолетовому излучению, в фотоны с меньшей энергией, соответствующей красной области спектра (Г.Р. Асатрян, А.Б. Кулинкин, С.П. Феофилов, К.Л. Ованесян, А.Г. Петросян. Люминесценция кристаллов иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Eu2+. Физика твёрдого тела, 2017, т. 59, вып. 3, с. 476-478).

Увеличение длины волны λ приводит к увеличению спектральной чувствительности до 0,6-0,8 относительных единиц и эффективности устройства преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в 2-3 раза.

Предлагаемое устройство и способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию может быть использовано для повышения эффективности фотопреобразователей солнечной энергии, создания датчиков ультрафиолетового излучения в сельском хозяйстве, биологии, промышленности и в энергетике.

1. Устройство для преобразования ультрафиолетового излучения, содержащее оптический фильтр и фотоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что между оптическим фильтром и фотоэлектрическим преобразователем установлены сцинтиллятор и люминофор для преобразования ультрафиолетового излучения в красную область спектра, например, в виде пластины иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y3Al5O12:Eu2+ или ионов церия Y3Al5O12:Се3+, а фотоэлектрический преобразователь выполнен с максимумом спектральной чувствительности в красной области спектра 620-780 нм.

2. Способ преобразования энергии ультрафиолетового излучения путём выделения ультрафиолетового диапазона спектра в области 200-380 нм с помощью оптического фильтра и преобразования энергии излучения ультрафиолетового диапазона спектра в электрическую энергию, отличающийся тем, что ультрафиолетовый диапазон спектра излучения преобразуют с помощью сцинтиллятора и люминофора, например, на основе иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Eu2+ Y3Al5O12 или ионов церия Y3Al5O12:Се3+ в красный диапазон спектра излучения 620-780 нм, а фотоэлектрический преобразователь выполняют с максимальной спектральной чувствительностью в диапазоне 620-780 нм.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к радиотехнике. Оптически-управляемый ключ содержит: управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента, линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены с двух сторон в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента, причем фотопроводящий полупроводниковый элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.

Использование: для детектирования инфракрасного излучения на основе болометров или микроболометров. Сущность изобретения заключается в том, что устройство детектирования электромагнитного излучения включает в себя множество элементарных детекторов (32, 320), сгруппированных в один или несколько сборочных узлов (300), причем каждый включает в себя несколько элементарных детекторов (32, 320), а каждый элементарный детектор (32, 320) подключен с помощью межсоединения (32.1, 320.1) к устройству (33) согласования полного сопротивления, при этом устройство детектирования электромагнитного излучения характеризуется тем, что: устройство (33) согласования полного сопротивления является общим для всех элементарных детекторов (32, 320) одного сборочного узла (300), в каждом сборочном узле (300) межсоединения (32.1, 320.1) имеют приблизительно одинаковое значение сопротивления.

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике. Способ создания сверхбыстродействующего вакуумного туннельного фотодиода с наноструктурированным эмиттером включает измерение фототока вакуумного фотодиода, возникающего при облучении непрерывным или импульсным оптическим излучением эмиттера при установке определенного значения ускоряющего напряжения на аноде, при этом облучают планарную поверхность наноструктурированного эмиттера лазерным пучком с длиной волны, выбранной из УФ-, видимого или ИК-диапазона при энергии фотона меньше работы выхода электронов из эмиттера, устанавливают фиксированное значение напряжения на аноде U, не превышающее значение, определяемое из заданного соотношения.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений, и может быть использовано для измерения угловых перемещений бесконтактным методом.

Изобретение относится к технологии изготовления детекторов теплового электромагнитного излучения - болометров. .

Изобретение относится к оптоэлектронике. .

Изобретение относится к области оптико-электронных приборов и может быть использовано как приемник инфракрасного излучения в тепловизионных приборах, теплопеленгаторах, приборах ориентации и экологического мониторинга.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом.

Изобретение относится к фторполимеризующимся композициям для сухих пленочных фоторезистов водно-щелочного проявления, находящих применение для получения рисунка при изготовлении печатных плат в радиоэлектронной промышленности.

Изобретение относится к технике электроизмерений. .

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к устройству и способу преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию. Устройство для преобразования ультрафиолетового излучения содержит оптический фильтр и фотоэлектрический преобразователь, между оптическим фильтром и фотоэлектрическим преобразователем установлен сцинтиллятор и люминофор для преобразования ультрафиолетового излучения в красную область спектра, например, в виде пластины иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y3Al5O12:Eu2+ или ионов церия Y3Al5O12:Се3+, а фотоэлектрический преобразователь выполнен с максимумом спектральной чувствительности в красной области спектра 620-780 нм. Также предложен способ преобразования энергии ультрафиолетового излучения. Предложенные изобретения обеспечивают повышение эффективности преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в диапазоне 200-380 нм, при этом спектральная чувствительность устройства в ультрафиолетовом диапазоне увеличится до 0,6-0,8 относительных единиц, а эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения увеличится в 2-3 раза. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх