Оптико-мікрохвильовий перетворювач

Реферат: Оптико-мікрохвильовий перетворювач сонячного випромінювання оптичного діапазону в мікрохвильове випромінювання містить металеву пластину, що служить тильним струмознімальним електродом, фронтальний струмознімальний електрод, шари кремнію p-типу і n-типу, р-n перехід між ними, при цьому шар кремнію n-типу звернений до металевої пластини, електропровідне просвітлювальне покриття, що примикає до шару кремнію n-типу і фронтального струмознімального електрода, і зовнішнє оптично прозоре покриття, причому між тильним струмознімальним електродом і нижньою поверхнею кремнію p-типу розміщена напівпровідникова структура, яка має негативну диференціальну провідність (НДП), а металеві 2+ 3+ частинки з рідкоземельних металів, переважно у вигляді іонів ітербію Yb або Yb запроваджені в зовнішнє захисне покриття, переважно в нижні його шари, що примикають до електродного просвітлювального покриття. UA 102565 U (12) UA 102565 U UA 102565 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сонячної енергетики і може бути використана для прямого перетворення сонячного випромінювання у високо когерентне мікрохвильове випромінювання, у тому числі на частотах, які можливо використовувати в космічних сонячних джерелах енергії. Серед альтернативних відновлюваних джерел енергії (вітрова, хвильова, геотермальна, гідроенергія, біопаливо, енергія біомаси) сонячна фотоенергетика має найбільший потенціал довгострокового зростання. Згідно з прогнозом Світового енергетичного агентства (ІЕА), на період з 2004 по 2030 pp. виробництво електроенергії для використання в найрізноманітніших сферах людської діяльності за рахунок сонячного випромінювання зросте в 60 разів [1]. При цьому відповідні конструктивні, що реалізують перетворення сонячної радіації в електричний струм - сонячні батареї - є найважливішим джерелом енергії для супутників і космічних кораблів при тривалих польотах. У зв'язку з усе більшим упровадженням сонячних джерел енергії - наземних перетворювачів оптичного спектра сонячного випромінювання в електричний струм - на базі розвитку матеріалознавчих технологій стає реальним і рішення задачі створення великих плоско-панельних сонячних батарей навколоземного (космічного) базування для перетворення потужних потоків сонячного випромінювання в електричний струм з подальшим його перетворенням в мікрохвильове випромінювання і транспортуванням останнього на наземні приймальні системи. Останніми роками склалося уявлення, що сонячні космічні електростанції (СКЕС) - одна з найперспективніших екологічно чистих енергосистем майбутнього, яка базується на широкомасштабному використанні засобів сучасної електроніки і ефективно стимулюватиме її розвиток. Цілеспрямовані роботи по лінії СКЕС можуть прискорити цей процес. На користь розвитку сонячної енергетики наземного базування в попередні роки були розвинені різноманітні технології, націлені на підвищення енергоефективності напівпровідникових фотоелектричних модулів як за рахунок вдосконалення власне конструкцій модулів з використанням традиційного матеріалу - кремнію (в рамках сформованої "кремнієвої фотоелектричної промисловості"), так і за рахунок використання інших напівпровідникових матеріалів. Відомий тонкоплівковий кремнієвий фотоелектричний перетворювач [2], що складається із сталевої підкладки, нанесених на неї шарів аморфного кремнію і контактної сітки, в якому з метою підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) і терміну служби хімічний склад матеріалу підкладки оптимізований, причому оптимізований і з погляду його оброблюваності (пластичності, обумовленої низьким змістом вуглецю, а також строгим дотриманням кількості домішок алюмінію, міді і нікелю). Відомі технічні рішення по створенню фотовольтаїчних модулів, що базуються на використанні таких фотоактивних матеріалів як фосфід індію (ІnР), арсенід галію (GaAs) [3,4], завдяки чому, як декларується, можливо істотно підвищити ККД фотоелектричних перетворювачів. Проте низький вміст вказаних вище елементів в земній корі не дозволяє розраховувати на широке використання фотоелектричних перетворювачів, що побудовані на їх основі. Ситуація ускладнюється і тим, що відповідні сполучення вказаних елементів вже зайняли важливу нішу в сучасній радіоелектроніці як сировинна база створення напівпровідникових генераторів мікрохвильового і міліметрового діапазонів, де альтернативи матеріалам, що використовуються, не існує. При створенні фотоелектричних перетворювачів космічного призначення із структурних різновидів кремнію аморфного, полікристалічного, монокристалічного - перевагу слід віддати останньому завдяки не тільки його високій радіаційній стійкості, але і найвищому з перерахованого ряду значенню напруги холостого ходу, що важливо і для отримання більш високих значень коефіцієнта корисної дії і для розширення функціональних можливостей фотоелектричних перетворювачів цього класу, при цьому останнє принципово важливе. Найближчим до корисної моделі, яка заявляється, по технічній суті і по результату, що досягається, технічним рішенням (прототипом) є перетворювач сонячного випромінювання в оптичному діапазоні в електричний струм [5] (базовим технічним рішенням якого є [6]), який містить розташовані на металевій пластині поглинаючі шари з напівпровідникового матеріалу, переважно кремнію, n- і p-типу з р-n переходом між ними, прозорий електропровідний шар і контактну гребінку, при цьому в шар напівпровідника n-типу введені наночастинки металу . -2 розміром багато менше довжин хвиль в діапазоні 0,25±2,5 мкм при концентрації (1-5) 10 об'ємних часток. Запровадження металевих частинок дійсно може змінити, а саме збільшити величину проникаючого в матеріал сонячного випромінювання за рахунок зміни діелектричної проникності активного напівпровідникового шару (практично створення нового, з електродинамічної точки зору, штучного матеріалу) і підвищити коефіцієнт корисної дії фотоелектричного 1 UA 102565 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перетворювача. Проте реально змінити величину діелектричної проникності впровадженням добавок в кристалічну структуру матеріалу вдається лише у вузькому діапазоні частот оптичного випромінювання, фактично на резонансних частотах, тому не можливо претендувати на високий коефіцієнт поглинання в широкому діапазоні частот при вибраній (з вказаного інтервалу) в технологічному циклі концентрації металевих частинок. Крім цього в пристрої-прототипі реалізується лише можливість перетворення сонячного випромінювання в електричний струм, але відсутня можливість перетворення в інші види полів і енергій. У ряді вживань вказаний недолік має принципове значення, саме при рішенні задачі прямого перетворення сонячного випромінювання в мікрохвильове, коли таким чином здійснюється оптико-мікрохвильове перетворення. Задачею цієї корисної моделі є розширення функціональних можливостей перетворювача з одночасним підвищенням ефективності перетворення сонячного випромінювання в електричний струм і зниженням деґрадаційних процесів, що викликані ультрафіолетовим випромінюванням активних напівпровідникових шарів. Поставлена задача вирішується тим, що в перетворювачі сонячного випромінювання оптичного діапазону в мікрохвильове випромінювання, який містить металеву пластину, що служить тильним струмознімальним електродом, фронтальний струмознімальний електрод, шари кремнію р-типу і n-типу, р-n перехід між ними, при цьому шар кремнію n-типу звернений до металевої пластини, електропровідне просвітлювальне покриття, що примикає до шару кремнію n-типу і фронтального струмознімального електрода, і зовнішнє оптично прозоре покриття, згідно з корисною моделлю, між тильним струмознімальним електродом і нижньою поверхнею кремнію р-типу розміщена напівпровідникова структура, яка має негативну диференціальну провідність (НДП), а металеві частинки з рідкоземельних металів, переважно у вигляді іонів 2+ 3+ ітербію Yb або Yb запроваджені в зовнішнє захисне покриття, переважно в нижні його шари, що примикають до електродного просвітлювального покриття. На кресленні представлена конструкція оптико-мікрохвильового перетворювача, де 1 металева пластина, що служить тильним струмознімальним електродом, 2 - напівпровідникова структура з негативною диференціальною провідністю (НДП), 3, 4 - омічні електроди, 5 поглинаючий шар з напівпровідника р-типу, 6 - р-n перехід, 7 - поглинаючий шар з напівпровідника n-типу, 8 - просвітлювальне покриття, 9 - зовнішнє захисне покриття, 10 частинки рідкоземельних металів, 11 - фронтальний струмознімальний електрод. Шари напівпровідників обох типів виконані у вигляді тонких пластин монокристалічного кремнію, вирощеного методом Чохральського, при цьому р-тип провідності забезпечується переважно легуванням бором. Матеріалом просвітлювального покриття є діоксид титану (ТіО2), технологія виробництва якого і нанесення з рідкорозчинної композиції добре освоєна [7-9]. З боку фронтальної поверхні n-прошарок пасивується оксидом кремнію (SiO2), а шари металізації для електродів виконуються переважно з алюмінію. Зовнішнє захисне покриття виготовляється з Аl2О3 або кремнійорганічного клейкого матеріалу, в який за спеціальною технологією при нанесенні запроваджуються частинки рідкоземельних металів, переважно ітрію. Металеві пластини виконуються з низьковуглецевої сталі, відповідно до рекомендацій, наведених в роботі [2]. Омічні контакти до напівпровідникового шару виконуються по відомих у виробництві діодів Ганна технологіях [10]. При цьому напівпровідникова структура з НДП залежно від питомого опору вибраного матеріалу може займати лише частину простору між металевою пластиною і поглинаючим шаром напівпровідника р-типу і в практичних реалізаціях може бути набором мезаструктур, по виконанню близьких до описаних в роботі [11]. Оптико-мікрохвильовий перетворювач функціонує таким чином. Фотони сонячного випромінювання, для яких зовнішнє покриття і просвітлювальне покриття є прозорими, що падають на активний поглинаючий шар, через фотоелектричний ефект породжують виникнення електронно-діркових пар, при цьому шар кремнію p-типу збирає дірки або позитивні заряди, кремнієвий шар n-типу збирає електрони. Локалізоване в зоні р-n переходу електричне поле, що виникає завдяки контакту двох різних напівпровідників, штовхає електрони у бік фронтального струмознімального електрода, а дірки - у бік тильного струмознімального електрода. Цей потік носіїв заряду і є електричний струм, що протікає в зовнішньому ланцюзі. При цьому з метою підвищення величини струму, що протікає через фотоактивну структуру і, відповідно, через напівпровідникову структуру з негативною диференціальною провідністю, в корисній моделі, що заявляється, здійснюється перетворення короткохвильової складової сонячного випромінювання (ультрафіолетовий діапазон, частка якого складає до 29 % від загальної інтенсивності сонячного випромінювання), для якої кремній не є фотоактивним, але сприяючий його деградації, в довгохвильову складову (спектральне перетворення по Стоксу): 2 UA 102565 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання з довжинами хвиль 0,28 і 0,36 мкм перетворюється у випромінювання з довжинами хвиль 0,7 і 0,8 мкм, яке потім ефективно перетворюється в електричний струм. Для задачі, поставленої в заявленій корисній моделі, це важливо, оскільки відомі напівпровідникові структури з негативною диференціальною провідністю, які є принципово великострумовими. Оскільки напруга, що розвивається у фотоелектричній комірці, невелика (в комірках з монокристалічного кремнію напруга холостого ходу 0,6 В), важливим є правильний вибір матеріалу напівпровідникової структури з негативною диференціальною провідністю. В загальному плані як такий матеріал для реалізації перетворення постійного струму в III V мікрохвильове випромінювання можуть бути використані сполучення групи A B , у тому числі класичний матеріал для виробництва мікрохвильових генераторів - арсенід галію - з добре III V розвиненою технологією його виготовлення. З матеріалів групи A B з урахуванням малих напруг у фотоелектричній комірці, більш переважним є використання сполучень з мінімальною величиною порогових напруг (наприклад InSb - у нього ширина забороненої зони 0,17 еВ, InAs0,35 еВ, В типових експлуатаційних режимах струми, що розвиваються в стандартній (розміром 24 × 15 мм) кремнієвій комірці (30-40 мА/см), співставні із струмами, потрібними для функціонування напівпровідникових структур з негативною диференціальною провідністю, вихідна потужність 2 . 2 (170-180 Вт/м ), питомий послідовний опір (не більше 0,5 Ом см (на якому втрачається не більше 3 % від повної електричної потужності, що виробляється фотоелектричною коміркою)), тобто енергетичні показники, розподіл опорів між коміркою і напівпровідниковою структурою з НДП прийнятні для оптимального функціонування останніх в структурі оптико-мікрохвильового перетворювача. В попередні роки була виявлена наявність ефекту негативної диференціальної провідності в n-Ge при строго вибраній орієнтації кристалічних осей і живлячої напруги, причому негативна диференціальна провідність досягається при надзвичайно низьких порогових напругах - 650-800 В/см [12,13] (для арсеніду галію вказаний параметр 3200 В/см). Вказаний ефект оптимальним чином виявляється при температурі Т = 77 К, що важливо саме при використаннях запропонованого оптико-мікрохвильового перетворювача, в якому реалізується пряме перетворення сонячного випромінювання в мікрохвильове, в сонячних космічних електростанціях. При цьому доречно відмітити, що спроби прямого перетворення сонячного випромінювання в мікрохвильове за рахунок використання нелінійних властивостей метал-діелектрикнапівпровідник (МДН)-структур або поляризованих постійним полем об'ємних діелектриків, що мають перемінну діелектричну проникність в залежності від прикладеної напруги, вже мали місце [14]. Але, через багаточастотность спектра сонячного випромінювання кінцевий спектр різницевих частот в мікрохвильовому діапазоні достатньо широкосмуговий, тому в практичних реалізаціях потрібно ретельне розфільтрування вихідного сигналу. Запропонована корисна модель при відповідному вдосконаленні конструктивнотехнологічних рішень має значний потенціал розвитку, оскільки при використанні її в космічній сонячній фото-НВЧ-енергетиці можливо відмовитися від традиційних схем побудови відповідних модулів: фотоелектричні перетворювачі, побудовані по схемі - постійний струм підсумовування струмів - перетворення напруги вгору для живлення потужних вакуумних джерел мікрохвильового випромінювання (магнетронів, клістронів, платинотронів). При цьому розміщення масиву вказаних оптико-мікрохвильових перетворювачів на великій площі і близько розташованих дозволяє здійснити ефективну взаємну синхронізацію частоти їх випромінювання, забезпечивши сумісне функціонування більшої кількості оптикомікрохвильових перетворювачів. В практичних реалізаціях технічне рішення, що заявляється, може бути реалізовано на монокристалічному, полікристалічному або аморфному кремнії. При цьому слід керуватися критерієм функціонально-вартісного аналізу, саме: витрата кремнію на 1 ват вироблюваної електричної потужності для фотоелектричного перетворювача з монокристалічного кремнію складає менше 5 г, з полікристалічного кремнію - 13,7 г, з аморфного - 0,3 г. Корисна модель, що заявляється, належить до пріоритетного напрямку розвитку науки і технологій - технологія нових і відновлюваних джерел енергії [15]. Джерела інформації: 1. Прогноз развития энергетики мира и России до 2035 года. - М.: ИНЭИ РАН, 2012. - 191 с. 2. Патент № 2477905 RU, МПК H01L 31/0392. Тонкопленочный кремниевый фотоэлектрический преобразователь / Т.Т. Кондратенко, О.В. Бессонов, В.А. Капитанов, П.В. Максимов. - Заявка: 2011137951/28 от 15.09.2011; Опубл. 20.03.2013. 3 UA 102565 U 5 10 15 20 25 30 35 3. Патент № 5 407 491 US. Tandem solar cell with improved tunnel junction / A. Freundlich, M. Vileta, A. Bensaoula, A. Ignatiev. - Appl. №.: 044941. - Filed: 8 April, 1993. - Publ. 18 April 1995. 4. Патент № 5 851 310 US. Strained quantum well photovoltaic energy converter / A. Freundlich, Ph. Renaud, M. Vileta, A. Bensaoula. - Appl. No.: 568129. - Filed: 6 December 1995. - Publ. 22. December, 1998. 5. Патент № 57054 RU, МПК H01L 31/04. Преобразователь солнечной энергии в электрическую / А. В. Тутов. - Заяв. 2006117561/22 от 22.05.2006. -Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего проф. тех. образования "Курский государственный технический университет". - Опубл. 27.09.2008. 6. Патент № 2222846 RU, МПК H01L 31/04, H01L 31/042. Фотоэлемент / О.А. Займидорога, И.Е. Проценко, В.Н. Самойлов. - Заяв. № 2002121061/28 от 08.08.2002. - Опубл. 27.01.2004. 7. Дзензерский В.А., Соколовский И.И., Быстрое Н.И., Лаврич Ю.Н., Плаксин СВ., Погорелая Л.М., Хачапуридзе Н.М. СВЧ технология получения титаносодержащих наноматериалов // Материалы Международной научной конференции "Функциональная база наноэлектроники" (в рамках V-ro Международного радиоэлектронного Форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" МРФ - 2014). - Украина, г. Харьков, 2014. - С. 10-13. 8. Копач В.Р., Листратенко A.M., Хрипунов Г.С., Черных Е.П. // Вестник Харьковского гос. политехнического университета.-1988. - Вып. 217. - С. 76-77. 9. Gorban A.P., Hostylev V.P., Borschev V.N., Listrobenko A.M. // Telecommunications and Radio Engineering. - 2001. - 55. - P. 94. 10. Шур M.C. Эффект Ганна. - M.: Энергия, 1971. - 78 с. 11. А.с. (СССР) № 1058473, МПК H01L 47/02. Полупроводниковое устройство / И.И. Соколовский, С.А. Костылев, В.Ф. Коломойцев, В.Я. Крысь. Заяв. № 3373065/18-25 от 24.12.81. - Заявитель Институт технической механики АН УССР. - Опубл. 01.08.83. - Бюл. № 44. 12. Smiss I.E., Nathan M.I., Gloddy I.C. Negative Conductance Effects and Related Phenomena in Ge // IBM Journal of Rev. Dev. - V. 13. - Р. 553-554. 13. А.с. (СССР) № 913865, МПК H01L 47/02. Полупроводниковый прибор / A.B. Чаплик, Л.Д. Шварцман. Заяв. № 2957951/18-25 от 16.07.80. -Заявитель Институт физики полупроводников СО АН СССР. - Опубл. 15.12.82.-Бюл. №46. 14. А.с. (СССР) № 174221, МПК Н03В 47/02. Способ получения электромагнитных колебаний / Ф.А. Водопьянов. - Заяв. № 329013/26-9 от 128.03.47. - Опубл. 27.08.65. - Бюл. № 17. 15. Смирнов Ю.Г. Технология новых и возобновляемых источников энергии // Алфавитнопредметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. С. 43. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Оптико-мікрохвильовий перетворювач сонячного випромінювання оптичного діапазону в мікрохвильове випромінювання, який містить металеву пластину, що служить тильним струмознімальним електродом, фронтальний струмознімальний електрод, шари кремнію p-типу і n-типу, р-n перехід між ними, при цьому шар кремнію n-типу звернений до металевої пластини, електропровідне просвітлювальне покриття, що примикає до шару кремнію n-типу і фронтального струмознімального електрода, і зовнішнє оптично прозоре покриття, який відрізняється тим, що між тильним струмознімальним електродом і нижньою поверхнею кремнію p-типу розміщена напівпровідникова структура, яка має негативну диференціальну провідність (НДП), а металеві частинки з рідкоземельних металів, переважно у вигляді іонів 2+ 3+ ітербію Yb або Yb запроваджені в зовнішнє захисне покриття, переважно в нижні його шари, що примикають до електродного просвітлювального покриття. 4 UA 102565 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5