Солнечный элемент

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Солнечный элемент, содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой нанесена прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды с меньшими основаниями на ней и электрически связанные между собой на прозрачной проводящей пленке между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами нанесен первый слой полупроводникового материала и на нем - металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами на всех больших основаниях металлических усеченных прямоугольных пирамид нанесен второй слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные выходными шинами параллельно или последовательно и содержащие как минимум по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которого заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на лицевой стороне прозрачной подложки напротив металлических усеченных прямоугольных пирамид расположены диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, оптически связанные с первым слоем полупроводникового материала, отличающийся тем, что первый слой полупроводникового материала содержит варизонные структуры, а на участках прозрачной проводящей пленки между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами выполнены массивы щелевых плазменных волноводов в виде периодических металлических встречно направленных структур лицевая сторона прозрачной подложки между диэлектрическими концентраторами выполнена наноструктурированной. 80362012.02.28 2. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что массивы щелевых плазмонных волноводов выполнены в виде штыревых встречно направленных дифракционных решеток, длина штырей которых не превышает 350 нм. 3. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что лицевая наноструктурированная сторона подложки содержит наноуглубления, геометрические размеры которых не превышают 500 нм.(56) 1. Патент России 2080690. 2. Патент РБ 6182 (прототип). 3. Денисов В.И. и др. Приборы и техника эксперимента. - 2007. -4. - С. 96-102. Полезная модель относится к области гелиоэнергетики, в частности к солнечным элементам с концентраторами излучения для получения электричества, и может быть использована при создании высокоэффективных автономных источников электроэнергии. Известно устройство 1, содержащее переход, образованный широкозонными полупроводниками - и -типа проводимости, и омические контакты, отличающееся тем, что на поверхности широкозонного полупроводника -типа последовательно выполнены варизонный слой -типа и сильнолегированный слой -типа, на поверхности широкозонного полупроводника -типа последовательно выполнены варизонный слой -типа, слой полупроводника -типа, более узкозонный, чем используемый для формирования перехода полупроводника -типа, и слой сильнолегированного полупроводника -типа, при этом -переход и оба варизонных слоя выполнены так, что обедненная область заходит в варизонные слои на глубину 0,10,2 от суммарной толщины слоев, образующих переход. Данное устройство не обладает высокой эффективностью преобразования солнечного излучения в электричество, так как поверхность полупроводника, на которой размещен тонкий слой окиси кремния и решетчатый металлический контакт, отражает и рассеивает значительную часть входного солнечного излучения, особенно падающего на эту поверхность под углом (площадь решетчатого металлического контакта составляет 12 от площади поверхности полупроводника). Кроме этого, слой полупроводника толщиной в единицы микрон не может поглотить весь падающий на него свет, особенно ту его часть,которая перпендикулярна поверхности. В устройстве не поглощается излучение окружающей среды. Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является солнечный элемент 2, содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой последовательно нанесены прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды, электрически соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая со слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, а также диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, расположенные на лицевой стороне прозрачной подложки напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид и оптически связанные со слоем полупроводникового материала, а металлические усеченные прямоугольные пирамиды электрически соединены между собой аналогичными пирамидами параллельно, при этом на всех их больших основаниях нанесен слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие как минимум по одному детектору и 2 80362012.02.28 полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, а на каждом участке металлической пленки последовательно расположены батарея термоэлементов и радиатор,которые оптически связаны с инфракрасными приемниками. Устройство не обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия(КПД) при преобразовании солнечного света в электрический ток, так как эффективность термоэлементов, освоенных промышленностью, порядка 17 с одной стороны, и с другой стороны отражение света на плоской границе раздела воздух-подложка достигает более 4 . Техническая задача - повышение КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Поставленная техническая задача решается тем, что в солнечном элементе, содержащем прозрачную подложку, на тыльной стороне которой нанесена прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды с меньшими основаниями на ней и электрически связанные между собой на прозрачной проводящей пленке между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами нанесен первый слой полупроводникового материала и на нем - металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами на всех больших основаниях металлических усеченных прямоугольных пирамид нанесен второй слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные выходными шинами параллельно или последовательно и содержащие как минимум по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которого заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды,а на лицевой стороне прозрачной подложки напротив металлических усеченных прямоугольных пирамид расположены диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, оптически связанные с первым слоем полупроводникового материала первый слой полупроводникового материала содержит варизонные структуры, а на участках прозрачной проводящей пленки между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами выполнены массивы щелевых плазменных волноводов в виде периодических металлических встречно направленных структур лицевая сторона прозрачной подложки между диэлектрическими концентраторами выполнена наноструктурированной. Для эффективного решения поставленной технической задачи массивы щелевых плазмонных волноводов выполнены в виде штыревых встречно направленных дифракционных решеток, длина штырей которых не превышает 350 нм. Для эффективного решения поставленной технической задачи лицевая наноструктурированная сторона подложки содержит наноуглубления, геометрические размеры которых не превышают 500 нм. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество как за счет существенного уменьшения отраженного света от подложки, так и за счет осуществления плазмонного поглощения солнечного излучения, обеспечивающего генерацию дополнительных носителей электрических зарядов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, содержащей схему расположения компонентов солнечного элемента, где 1 - прозрачная подложка,2 - прозрачная проводящая пленка,3 - металлические усеченные прямоугольные пирамиды,4 - первый слой полупроводникового материала,5 - второй слой полупроводникового материала,6 - металлическая пленка,7 - диэлектрические концентраторы,8 - инфракрасные приемники,3 80362012.02.28 9 - щелевые плазмонные волноводы,10 - наноструктуры,и фиг. 2, представляющей разрез устройства, где 11 - полуволновые вибраторы,12 - детекторы,13 - выходные шины. В солнечном элементе на тыльную сторону прозрачной подложки 1 нанесена прозрачная проводящая пленка 2 из металла, на которой сформированы электрически соединенные металлические усеченные прямоугольные пирамиды 3 таким образом, что электрический контакт с ней имеют меньшие их основания. На участках прозрачной проводящей пленки 2 между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами 3 расположен первый слой полупроводникового материала 4, содержащий варизонные - структуры, на поверхность которого нанесена металлическая пленка 6, образующая с ним омический контакт, а на самих участках выполнены массивы щелевых плазмонных волноводов 9,представляющие собой металлические периодические встречно направленные структуры. На больших основаниях усеченных прямоугольных пирамид 3 нанесен второй слой полупроводникового материала 5, на котором сформированы инфракрасные приемники 8, соединенные выходными шинами параллельно или последовательно и содержащие как минимум по одному детектору 12 и полуволновому вибратору 11, плечи которых электрически соединены с детекторами 12 и выполнены из металлов с разной работой выхода. Расстояние между внутренними плечами полуволновых вибраторов 11 составляет порядка одного двух десятков нанометров. Диэлектрические концентраторы 7 с внешней зеркальной поверхностью оптически связаны через прозрачную подложку 1 со щелевыми плазмонными волноводами 9 и первым слоем полупроводникового материала 4. В конкретном исполнении прозрачная подложка 1 - стеклянная пластина толщиной 2 мм,выполненная из легкого крона. Ее лицевая поверхность между диэлектрическими концентраторами 7 содержит наноструктуры 10, выполненные с помощью фотолитографии и ионного травления, с глубиной и шириной 250 нм. Прозрачная проводящая пленка 2 - это тонкий (50 нм) слой золота. Металлические усеченные пирамиды 3 выполнены методами фотолитографии из никеля, меньшие основания которых расположены на прозрачной проводящей пленке 2. Первый слой полупроводникового материала 4 содержит варизонные структуры микронных размеров, как в 1. Второй слой полупроводникового материала 5 - это пленка высокоомного поликремния, как в 2. Металлическая пленка 6 это второй электрод устройства, выполненный методами вакуумной технологии из алюминия. Диэлектрические концентраторы 7 с внешними зеркальными сторонами - это призмы,угол между внешними зеркальными сторонами которых выбран меньшим 90, выполнены травлением из материала прозрачной подложки 1. Инфракрасные приемники 8 содержат выполненные травлением из металлических пленок полуволновые вибраторы 11, внутренние плечи которых электрически подключены к детекторам 12, а внешние - к выходным шинам 13, выполненным вместе с ними в одном технологическом цикле. Минимальное количествоинфракрасных приемников 8 определяется выражением/2(,), гдесумма периметров больших оснований всех металлических усеченных прямоугольных пирамид 3- расстояние между инфракрасными приемниками 8- длина волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды. Детекторы 12 - это наноконденсаторы в виде нанозазоров между внутренними плечами полуволновых вибраторов 11, для получения нелинейных вольт-амперных характеристик которых одни из плеч полуволновых вибраторов 11 покрываются пленкой материала с малой работой выхода электронов,например . Полученные нанозазоры способны выпрямлять электрические сигналы с частотой, соответствующей диапазону длин волн инфракрасного излучения 3. Массив щелевых плазмонных волноводов 9, это сквозные отверстия с топологией, представленной на фиг. 2, выполненные методами фотолитографии в прозрачной проводящей пленке 2. 4 80362012.02.28 Работает устройство следующим образом. Входное солнечное излучение, нормально падающее на лицевую сторону прозрачной подложки 1, и те части его, которые отражаются от зеркальных поверхностей диэлектрических концентраторов 7, проходят без отражения через прозрачную подложку 1 и ее наноструктуры 10. Затем это солнечное излучение поступает на прозрачную проводящую пленку 2, где в щелевых плазмонных волноводах 9 возбуждаются групповые колебания плотности электронов, частота которых совпадает с частотой падающего излучения. Эти групповые колебания плотности электронов взаимодействуют с варизонными структурами первого слоя полупроводникового материала 4. В результате этого вокруг варизонного рперехода генерируются пары носителей заряда,которые разделяются его полем, создавая на электродах устройства электрическое напряжение. Широкая полоса поглощения варизонных структур в первом слое полупроводникового материала 4 обеспечивает поглощение как видимой, так и инфракрасной частей спектра входного солнечного излучения. При этом следует отметить, что энергия электромагнитных волн инфракрасного излучения как из окружающей среды, так и от элементов устройства преобразуется полуволновыми вибраторами 11 в электрические токи высокой частоты, соответствующие длинам волн собственных частот полуволновых вибраторов 11. После преобразования детекторами 12 эти электрические токи складываются между собой и с токами варизонных структур. В предлагаемой полезной модели повышение КПД солнечного элемента достигается за счет снижения перепада диэлектрической проницаемости на лицевой стороне прозрачной подложки 1, которая содержит наноструктуры 10, обеспечивающего существенное снижение потерь солнечного излучения на отражение. Кроме этого, в устройстве значительно увеличен КПД преобразования видимой и инфракрасной частей солнечного излучения в электричество за счет образования солнечным излучением плазмонов, время взаимодействия которых с варизонными структурами существенно увеличивается, и соответственно, возрастает КПД устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5