Фотоэлектрический преобразователь

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козадаев Константин Владимирович Микитчук Елена Петровна Гайдук Петр Иванович Новиков Андрей Геннадьевич Шевцова Виктория Игоревна(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Фотоэлектрический преобразователь, состоящий из монокристаллического кремниевого слоя -типа проводимости, сильнолегированного слоя -типа проводимости и металлических контактов, отличающийся тем, что дополнительно содержит слой островковых серебряных наноструктур, сформированных на слое -типа проводимости атмосферной лазерной эрозией серебряной мишени.(56) 1.2410796 1, МПК 01 31/04, 2011. 2. - К., - .,., - ., - .// . . . 2008. - . 93. - . 073307-1-3. 3. Патент США 2009/0250110 1, МПК 01 31/0264, 2009. 4.,,// . . . . - 2010. - . 89. - . 139-141. 5. Гончаров В.К., Козадаев К.В., Щегрикович Д.В. Начало конденсации в эрозионных факелах металлов при высокоинтенсивном субмикросекундном лазерном воздействии // ИФЖ. - 2011. - Т. 84. -4. - С. 723-728. 99512014.02.28 Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано для повышения эффективности кремниевых фотоэлектрических преобразователей(ФЭП) за счет использования явления поверхностного плазменного резонанса (ППР), наблюдаемого у островковых серебряных наноструктур, нанесенных на рабочую поверхность ФЭП методом атмосферной лазерной эрозии серебряной мишени. Это представляет большой практический интерес с точки зрения усовершенствования существующих ФЭП,используемых в народном хозяйстве. Известно устройство преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию на основе барьерной полупроводниковой структуры 1, рабочая поверхность которой модифицирована нанесением антистоксового люминофора, что позволяет повысить эффективность ФЭП за счет спектрального совмещения диапазонов поглощения кремниевой подложки и люминофора. Основными недостатками этого устройства являются высокая стоимость компонентов для их производства и технологическая сложность получения антистоксовых люминофоров. Известно устройство, в котором керамическая рабочая поверхность тонкопленочного ФЭП поверхностно модифицирована тонким наноструктурированным слоем серебра,сформированным методом электроразрядного осаждения. Слой серебра дополнительно покрыт тонким светочувствительным слоем органического соединения 2. Повышение эффективности данного ФЭП основано на увеличении поглощения света слоем органического соединения в области длин волн (400-600 нм) за счет возбуждения ППР в серебряных наноструктурах. Крайне узкий спектральный диапазон чувствительности является главным недостатком этого типа устройств, и, несмотря на дешевизну их производства, максимальный КПД таких керамико-органических ФЭП достигает 3-4 . Вместе с этим нужно отметить, что применение серебряных наноструктур является в данном случае крайне эффективным и позволяет повысить исходную эффективность ФЭП приблизительно на 20 . Спектральное положение полосы ППР в данном случае определяется диэлектрическими параметрами слоя органического материала и керамической подложки, что позволяет при переходе на кремниевые подложки значительно расширить спектральную форму полосы ППР в инфракрасную область. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является ФЭП, состоящий из следующих компонентов металлической подложки, кремниевого слоя -типа проводимости, кремниевого слоя -типа проводимости, слоя титаниндий оксиди слоя осажденных золотых наночастиц со средними размерами 100 нм. Полученный таким образом ФЭП демонстрирует прирост эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую на 8,3 за счет использования эффекта ППР золотых наночастиц 3. Основным недостатком этого устройства является технологически сложный метод формирования слоя наночастиц золота путем осаждения их из коллоидного раствора, мало пригодный для серийного производства и обладающий низкой адгезией к поверхности. Задача предлагаемой полезной модели заключается в создании кремниевого фотоэлектрического преобразователя, обеспечивающего повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию. Поставленная задача достигается тем, что фотоэлектрический преобразователь, состоящий из монокристаллического кремниевого слоя -типа проводимости, сильнолегированного слоя -типа проводимости и металлических контактов, дополнительно содержит слой островковых серебряных наноструктур, сформированных на слое -типа проводимости атмосферной лазерной эрозией серебряной мишени. Серебряные наноструктуры за счет эффекта поверхностного плазменного резонанса обеспечивают дополнительное поглощение световой энергии в ближней инфракрасной области спектра (1-1,2 мкм). 99512014.02.28 Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, где 1 - монокристаллический слой -типа проводимости (толщина 320 мкм), 2 сильно легированный слой -типа проводимости (толщина 1 мкм), 3 - слой островковых серебряных наноструктур, 4 - металлические контакты. На фиг. 2 изображены нормированные спектральные зависимости фототока кремниевого ФЭП (например, кремниевого фотодиода на основеперехода) до и после модификации. На фиг. 3 приведены спектральные зависимости оптической плотности слоя серебряных островковых наноструктур,измеренные для различных длительностей экспозиции рабочей поверхности фотоэлектрического элемента под воздействием двухфазных плазменных потоков серебра на рабочую поверхность ФЭП, а на фиг. 4 - изображение рабочей поверхности ФЭП после модификации, полученное с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). Предлагаемая полезная модель работает следующим образом сильнолегированный слой -типа проводимости ФЭП (характеризующийся спектральной зависимостью фототока, приведенной на фиг. 2, кривая 1) подвергается воздействию двухфазных плазменных потоков серебра, генерируемых при лазерной эрозии серебряных мишеней интенсивными наносекундными импульсами оптического излучения в условиях обычной атмосферы 4, 5. С течением времени на поверхности ФЭП формируются развитые островковые наноструктуры с общими размерами (0,1-1 мкм), причем их средние размеры и концентрация зависят от продолжительности обработки плазменными потоками серебра. На фиг. 3 приведены спектральные зависимости оптической плотности слоя серебряных островковых наноструктур, измеренные для различных интервалов экспозиции стеклянной поверхности под действием двухфазных плазменных потоков серебра. Изображение рабочей поверхности ФЭП после ее модификации двухфазными плазменными потоками серебра в течение 15 мин приведено на фиг. 4. Таким образом, управляя временем экспозиции плазменного воздействия, контролируют спектральную форму полосы ППР слоя островковых наноструктур серебра, а следовательно, воздействуют на спектральную зависимость фототока ФЭП, обеспечивая дополнительное поглощение падающей световой энергии в ближней инфракрасной области спектра (1-1,2 мкм) (фиг. 2, кривая 2). Кроме того, формируемые серебряные наноструктуры за счет осаждения из эрозионной плазмы обладают хорошей адгезией к материалу подложки. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию, получая дополнительное поглощение падающей световой энергии в ближней инфракрасной области спектра, за счет применения технологически простой и дешевой процедуры модификации их рабочей поверхности двухфазными плазменными потоками серебра,генерируемыми в условиях обычной атмосферы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4