Способ изготовления термоэлектрического солнечного холодильника

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЛНЕЧНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Латышев Сергей Викторович Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Способ изготовления солнечного термоэлектрического холодильника, включающий формирование термоэлектрического элемента, в котором на поверхности монокристаллической подложки из широкозонного полупроводника -типа проводимости формируют первый-слой, который размещают на металлическом основании, на противоположной поверхности подложки формируют -слой, на котором последовательно наращивают эпитаксиальный -слой собственной проводимости и второй-слой, образуя таким образом-структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, и наносят на второй-слой электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой, который затем электрически соединяют посредством сформированного внешнего металлического вывода с указанным металлическим основанием. Изобретение относится к технологии создания полупроводниковых термоэлектрических холодильников, функционирующих на эффекте Пельтье и осуществляющих преобразование солнечной энергии в минусовые температуры на выходе. Известен способ изготовления термоэлектрического солнечного холодильника 1,включающий операцию нанесения на подложку из анизотропного материала элементов 15154 1 2011.12.30 полупроводников -типа и -типа проводимости, на которых формируют омические контакты. Через соответствующие промежуточные элементы к омическим контактам присоединяют металлические выводы. Такой способ изготовления термоэлектрического холодильника не позволяет создавать термоэлектрический солнечный холодильник на основе - переходов с высокой температурой охлаждения. Известен также способ изготовления полупроводникового термоэлектрического холодильника 2 (прототип), который включает операции нанесения на ленту из проводящей плоский матрицы омических контактов к изолирующей пластине, нанесения на -области- переходов омических контактов, формирования омических контактов на торцевых сторонах -областей переходов, прикрепления внешних выводов к омическим контактам- переходов. Недостатками способа-прототипа являются а) сложная технология изготовления термоэлектрического холодильника, включая операции формирования омических контактов к - и -областям, изготовления ленты с проводящей пленкой, нанесения на эту пленку матрицы омических контактов, прикрепления контактов к изолирующей пластине и посадки - перехода на эти контакты б) формируемые - переходы обладают низким потенциальным барьером (десятые доли эВ), поэтому изготовленный таким способом термоэлектрический холодильник будет обладать малой температурой охлаждения в) созданный этим способом термоэлектрический холодильник не может осуществлять прямое преобразование солнечной энергии в холод. Техническим результатом изобретения является разработка способа получения термоэлектрического солнечного холодильника, позволяющего осуществить прямое преобразование солнечной энергии в холод, существенно увеличить рабочую температуру охлаждения полупроводникового термоэлектрического холодильника и повысить стабильность его работы. Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления солнечного термоэлектрического холодильника, включающий формирование термоэлектрического элемента, в котором на поверхности монокристаллической подложки из широкозонного полупроводника -типа проводимости формируют первый-слой, который размещают на металлическом основании, на противоположной поверхности подложки формируют -слой, на котором последовательно наращивают эпитаксиальный -слой собственной проводимости и второй-слой, образуя таким образом-структуру из одного и того же широкозонного полупроводника, и наносят на второй-слой электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой, который затем электрически соединяют посредством сформированного внешнего металлического вывода с указанным металлическим основанием. Технология изготовления термоэлектрического солнечного холодильника. На полупроводниковой монокристаллической области (подложке) -типа проводимости из широкозонного полупроводника, например кремния, легированной бором с концентрацией(10161019) см-3, толщиной 0,10,3 мм формируют методом термической диффузии слой -типа проводимости, легированный донорной примесьюфосфором с концентрацией примеси(10161019) см-3, толщиной 0,61,2 мкм. Температура диффузии фосфора составляет 11001200 С, а время процесса диффузии 0,00,8 часа. На сформированный -слой методом гидридной газофазной эпитаксии наращивают эпитаксиальный слой кремния собственной проводимости толщиной 1,01,6 мкм, то есть толщиной (0,70,9) , поскольку диффузионная длина носителей заряда в собственном полупроводнике выше, чем в примесном. Температура нагрева в зоне реакции 600700 С, а средняя скорость наращивания эпитаксиального -слоя составляет 2030 /с. 2 15154 1 2011.12.30 Методом термической диффузии на эпитаксиальном слое широкозонного полупроводника, например кремния, формируют сильнолегированный р-слой, легированный акцепторной примесью-бором с концентрацией примеси(10201021) см-3, толщиной 0,30,5 мкм. Температура процесса диффузии бора 10001100 С, а время процесса составляет 0,30,5 часа. Методом термической диффузии на поверхности кремниевой монокристаллической области (подложки) формируют сильнолегированный слой-типа толщиной 0,10,3 мкм введением акцепторной примеси - бора с концентрацией (10201021) см-3. Температура процесса диффузии бора 1000-1100 С, а время процесса составляет 0,20,5 часа. На сформированный-слой широкозонного полупроводника со стороны -слоя наносят методом электронно-лучевого испарения или ионно-плазменного распределения проводящий слой из светопрозрачного материала, например из окиси олова или окиси индия, толщиной 1,52 мкм, который является омическим контактом к-слою широкозонного полупроводника и просветляющим слоем. Скорость нанесения проводящего слоя составляет 30-60 /с, а температура процесса 350-450 С. С помощью электропроводящего клея, представляющего смесь эпоксидной смолы и алюминиевого или серебряного порошка, приклеивают сформированную -структуру термоэлектрического солнечного холодильника к алюминиевому основанию по стандартной технологии. Затем методом приклеивания электропроводящим клеем на основе эпоксидной смолы и серебряного порошка приклеивают внешние алюминиевые выводы к электропроводящему слою из светопрозрачного материала. Методом микроконтактной или ультразвуковой сварки присоединяют металлическую проволоку к основанию и внешнему алюминиевому выводу термоэлектрического солнечного холодильника, обеспечивая короткое замыкание между его омическим выводом и основанием. Завершающей операцией способа изготовления полупроводникового преобразователя солнечной энергии является термоотжиг сформированной -структуры в инертной среде в течение 105 минут при температуре 300-400 С для создания надежных омических контактов к-слоям широкозонного полупроводника (кремния). Пример. Изготовление термоэлектрического солнечного холодильника на монокристаллической кремниевой подложке с структурой термочувствительного элемента типа с омическими контактами в соответствии с представленной на фигуре схемой. 1. На кремниевой монокристаллической подложке -типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси-бора 1017 см-3, ориентированной в плоскости (111) и с совершенной поверхностью, размером 4848 мм, толщиной 0,2 мм формируют методом термической диффузии -слой 2 толщиной 0,9 микрона путем введения донорной примеси-фосфора с концентрацией 1017 см-3. Температура процесса диффузии фосфора 1100 С, время процесса 0,6 часа. 2. На сформированный -слой 2 методом гидридной эпитаксии из газовой фазы наносят эпитаксиальный -слой 3 кремния собственной проводимости толщиной 1,3 микрона. Температура процесса эпитаксиального наращивания -слоя 3 Т 650 С, а средняя скорость наращивания -слоя 3 составляет 25 /с. 3. Методом термической диффузии на эпитаксиальном -слое 3 кремния формируют сильнолегированный-слой 4 путем введения акцепторной примеси-бора с концентрацией 51020 см-3 толщиной 0,4 микрона. Температура диффузии бора 1100 С,время процесса легирования составляет 0,5 часа. 4. Методом термической диффузии на поверхности кремниевой монокристаллической подложки 1 -типа проводимости формируют сильнолегированный-слой 5 толщиной 15154 1 2011.12.30 0,2 микрона с концентрацией легирующей примеси-бора 51020 см-3. Температура диффузии бора 1100 С, а время формирования-слоя 5 составляет 0,3 часа. 5. На сформированный-слой 4 кремния методом ионно-плазменного распыления наносят проводящий слой 6 из светопрозрачного материала - окиси олова - толщиной 2 микрона, который является омическим контактом к-слою 4 и просветляющим слоем. 6. Размещают монокристаллическую кремниевую подложку 1 со сформированнойструктурой на алюминиевом основании 7 размером 4848 мм, толщиной 4 мм и жестко соединяют ее с алюминиевым основанием посредством электропроводящего клея 70 алюминиевый порошок - 30 эпоксидная смола. Алюминиевое основание 7 - это нижний вывод термоэлектрического солнечного холодильника. 7. Присоединяют к верхнему омическому контакту - электропроводящему слою 6 верхний внешний вывод термоэлектрического солнечного холодильника из алюминия шириной 3 мм и толщиной 1 мм по периметру электропроводящего слоя 6 4848 мм посредством приклеивания его электропроводящим слоем состава 70 алюминиевый порошок 30 эпоксидного слоя. 8. Посредством ультразвуковой сварки по стандартной технологии присоединяют в четырех точках по периметру со сдвигом на 90 алюминиевые проволочные выводы толщиной 0,3 мм к алюминиевому основанию 7 и внешнему алюминиевому выводу 8. 9. Производят термоотжиг изготовленного термоэлектрического солнечного холодильника с термочувствительным элементом типа в инертной среде в течение 15 минут при температуре 350 С для создания надежных омических контактов к-слоям кремния. Изготовленный предложенным способом термоэлектрический солнечный холодильник размером 4848 мм при интенсивности солнечного излучения 70 мВт/см 2 позволяет получать предельную температуру охлаждения -2 С, а расчетная надежность работы устройства составляет 105 часов. Он обеспечивает прямое преобразование солнечной энергии в холод. Для способа-прототипа эти параметры соответственно составляют 10 С и 2104 часов. Технико-экономические преимущества термоэлектрического солнечного холодильника, полученного предлагаемым способом, в сравнении с базовым устройством, полученным способом-прототипом 1) более чем в 3 раза снижается рабочая температура 2) более чем в 5 раз повышается надежность работы устройства. Источники информации 1. Патент США 5022928, МПК 5,01 35/28, 1993. 2. Патент 9339 1, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4