Плазмонний сонячний елемент

Реферат: Плазмонний сонячний елемент містить напівпровідниковий фотоприймач, субхвильову металеву ґратку, нанесену на поверхню фотоприймача через шар окислу з боку падіння світла. Додатково містить відбивальне тонкоплівкове діелектричне інтерференційне широкосмугове дзеркало, нанесене на поверхню фотоприймача з боку, протилежного падінню світла, причому шар окислу і шар дзеркала, що контактують з фотоприймачем, є електропровідними. UA 73170 U (54) ПЛАЗМОННИЙ СОНЯЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ UA 73170 U UA 73170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі виробництва фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії в електричну і може бути використана для виготовлення сонячних активних елементів. Відомий сонячний елемент на основі бар'єра Шотткі [Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: пер. с англ. М.: Мир, 1986. - С. 319, 438 с.], що містить молібденову підкладку, на яку послідовно нанесені фотоприймач у вигляді шарів легованого і нелегованого аморфного кремнію, напівпрозора плівка паладію, контактні електроди до плівки паладію та просвітлювальне покриття. Недоліком такого сонячного елемента є малий коефіцієнт поглинання світла, обумовлений малою товщиною фотоприймального шару, а також відносно низька напруга холостого ходу, що обумовлює низький коефіцієнт корисної дії (ККД) елемента та обмежує використання пристроїв на його основі. Відомий тонкоплівковий кремнієвий сонячний елемент, що містить як фотоприймач шар тонкоплівкового окисленого аморфного кремнію на ізоляторі, при цьому на поверхню аморфного кремнію нанесені наночастинки срібла [Pillai S., Catchpole K.R., Trupke Т., Green M.A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells// J. Appl. Phys. 2007. Vol. 101, N 9093105], [Catchpole K.R., Polman A. Plasmonic solar cells // Opt. Express. 2008. Vol. 16, N 26. P. 21793-21800]. У такому елементі збільшення коефіцієнта поглинання падаючого випромінювання, а отже, і ККД пристрою в цілому, відбувається за рахунок ефекту збудження падаючим випромінюванням плазмон-поляритонів у шарі діелектрика під металевими наночастинками. Недоліком пристрою є недостатньо високий коефіцієнт поглинання світла фотоприймальним шаром, що не дозволяє одержати досить високі значення ККД. Як прототип вибрано плазмонний сонячний елемент, що являє собою структуру, в якій використовується субхвильова металева ґратка на поверхні аморфного кремнію, яка виготовляється методом фотолітографії [Doskolovich L.L., Kadomina E.A., Kadomin I.I., Nanoscale photolithography by means of surface plasmon interference// J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2007. Vol. 9. P. 854-857]. Недоліком пристрою є недостатньо високий коефіцієнт поглинання світла фотоприймальним шаром аморфного кремнію, що не дозволяє одержати в ньому досить високі значення ККД. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити плазмонний сонячний елемент шляхом додаткового використання в ньому відбивального тонкоплівкового діелектричного інтерференційного широкосмугового дзеркала, що забезпечить підвищення ККД елемента за рахунок підвищення коефіцієнта поглинання світла в шарі фотоприймача. Поставлена задача вирішується тим, що плазмонний сонячний елемент, що містить напівпровідниковий фотоприймач, субхвильову металеву ґратку, нанесену на поверхню фотоприймача через шар окислу з боку падіння світла, згідно з корисною моделлю, додатково містить відбивальне тонкоплівкове діелектричне інтерференційне широкосмугове дзеркало, нанесене на поверхню фотоприймача з боку, протилежного падінню світла, причому шар окислу і шар дзеркала, що контактують з фотоприймачем, є електропровідними. Такий плазмонний сонячний елемент з відбивальним тонкоплівковим діелектричним інтерференційним широкосмуговим дзеркалом дозволить одержувати більш високі, ніж у прототипу, значення коефіцієнта поглинання світла у фотоприймачі та, відповідно, більш високий ККД пристрою на його основі. На (Фіг. 1) наведено схематичне зображення плазмонного сонячного елемента з відбивальним тонкоплівковим діелектричним інтерференційним широкосмуговим дзеркалом. Плазмонний сонячний елемент містить скляну підкладку (1), на яку послідовно нанесені відбивальне тонкоплівкове діелектричне широкосмугове інтерференційне дзеркало (2), що складається з послідовно нанесених дзеркал зі зміщеними по спектру областями високого відбиття, фотоприймач (3), шар електропровідного окислу (4), субхвильова ґратка з благородного металу (5). (6) - падаюче випромінювання. Плазмонний сонячний елемент діє так. Оскільки верхнє металеве покриття (5) являє собою субхвильову металеву дифракційну ґратку, то при освітленні структури світлом (6) поблизу межі поділу метал (5) - окисел (4) в шарі діелектрика товщиною кілька сотень нанометрів буде відбуватися резонансне збудження падаючим випромінюванням поверхневих електромагнітних хвиль - плазмон-поляритонний резонанс. У результаті плазмон-поляритонного резонансу локальне посилення інтенсивності падаючої електромагнітної хвилі може становити десятки разів [Slaoui A., Collins R.T. Advanced inorganic materials for photovoltaics // MRS Bullettin. 2007. Vol. 32, N 3. P. 211-218], [Безус Е.А., Досколович Л.Л. Расчет и моделирование дифракционных структур для формирования двумерных интерференционных картин поверхностных 1 UA 73170 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 электромагнитных волн// Компьютерная оптика, 2009. - Т. 33. - № 1. - С. 10-16]. Найбільш ефективно плазмон-поляритони збуджуються при використанні благородних металів - золота і срібла. Крім того, ці метали мають малі втрати на поглинання. Падаюче випромінювання, посилене плазмон-поляритонним резонансом, буде викликати у фотоприймачі (3) генерацію нерівноважних носіїв заряду (електронно-діркових пар) за рахунок явища внутрішнього фотоефекта. Частина сонячного випромінювання, яка не поглинулася у фотоприймачі і пройшла через нього, відіб'ється діелектричним інтерференційним дзеркалом і знову потрапить на фотоприймач. Оскільки в подібному дзеркалі відсутні втрати на поглинання, а ефективність відбиття дуже висока, то практично все випромінювання буде повернено назад у фотоприймач і поглинено ним. При цьому на електродах фотоприймача буде виникати різниця потенціалів (напруга холостого ходу), а при замиканні електродів через фотоприймач потече струм. Оскільки локальне посилення інтенсивності падаючого на сонячний елемент випромінювання може становити десятки разів, то квантовий вихід фотоефекта у фотоприймачі такого сонячного елемента буде набагато вище, ніж в елементі без субхвильової ґратки. Додаткове поглинання випромінювання, відбитого від діелектричного інтерференційного широкосмугового дзеркала, забезпечить підвищення ККД пристрою в цілому. Інтерференційне широкосмугове дзеркало (2) складається з кількох послідовно нанесених дзеркал зі зміщеними по спектру областями високого відбиття. Це забезпечує високий коефіцієнт відбиття падаючого сонячного випромінювання у всьому діапазоні сонячного спектра. Приклад виконання Плазмонний сонячний елемент виготовляється на підкладці з плавленого кварцу і містить такі структурні елементи. 1. Широкосмугове діелектричне дзеркало, нанесене на підкладку, що складається, наприклад, з 39 шарів з великим і малим показниками заломлення, причому шар з великим показником заломлення є електропровідним, наприклад, це може бути шар ІТО (індій-олов'яний окисел) або ZnO, а як шар з малим показником заломлення може бути використаний шар SiO 2. Умовно конструкцію такого дзеркала можна представити в такому вигляді: 10 3 S(BH) B(H'B') H'(B''H")B". Тут S - підкладка; В і Н - чвертьхвильові шари з великим і малим показниками заломлення (ІТО або ZnO і SiO2, відповідно). Максимуми відбиття для шарів В і Н знаходяться на довжині хвилі 700 нм, для шарів В' і Н' - на 650 нм і для шарів В" і Н" - на 600 нм. На (Фіг. 2) показано графік спектральної залежності коефіцієнта відбиття R такого відбивального інтерференційного широкосмугового дзеркала. При розробленні покриття з таким великим числом шарів головним завданням підвищення його якості є зменшення втрат, пов'язаних з розсіянням випромінювання. Вибрана конструкція покриття з розміщенням більш товстих шарів біля підкладки сприяла зменшенню розсіяння в 1,5-2 рази. 2. Шар гідрогенізованого аморфного кремнію n-типу товщиною 1000 нм. 3. Шар гідрогенізованого аморфного кремнію р-типу товщиною 800 нм. 4. Тонкий (товщиною 20-30 нм) шар ІТО або ZnO. 5. Субхвильова ґратка з благородного металу (золота або срібла) з такими розмірами: товщина h=100 нм, ширина смужки металу а=120 нм, період ґратки d=400 нм. 6. Верхній металевий електрод, наприклад, плівка алюмінію товщиною 300 нм. Діелектричні шари широкосмугового дзеркала і тонкий шар окислу ІТО або ZnO можуть бути виготовлені методом електронно-променевого випаровування відповідних матеріалів. Струмознімальні електроди до електропровідних шарів ІТО або ZnO можуть бути виготовлені нанесенням кілець із плівок Аl термічним випаровуванням у вакуумі, товщина кожного кільця становить приблизно 200 нм. Перевагою пропонованого плазмонного сонячного елемента є його більш висока ефективність у порівнянні з прототипом, обумовлена більш високим коефіцієнтом поглинання сонячного випромінювання в шарі фотоприймача. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Плазмонний сонячний елемент, що містить напівпровідниковий фотоприймач, субхвильову металеву ґратку, нанесену на поверхню фотоприймача через шар окислу з боку падіння світла, який відрізняється тим, що додатково містить відбивальне тонкоплівкове діелектричне інтерференційне широкосмугове дзеркало, нанесене на поверхню фотоприймача з боку, протилежного падінню світла, причому шар окислу і шар дзеркала, що контактують з фотоприймачем, є електропровідними. 2 UA 73170 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3