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 Залесский Валерий Борисович(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, электрически параллельно соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней,причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены первый слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая с первым слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид расположены диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, оптически связанные с первым слоем полупроводникового материала, при этом на всех больших основаниях усеченных прямоугольных пирамид нанесен второй слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие как минимум по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, отличающийся тем, что в каждом первом слое полупроводникового материала сформированы параллельно лицевой поверхности субмикронные структуры, а на торцах - зеркала. 89622013.02.28 2. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что субмикронные структуры выполнены на основе опаловых композитных материалов, содержащих слои, частично заполненные и (или) полностью заполненные кремнием. 3. Солнечный элемент по п. 1, отличающийся тем, что субмикронные структуры образуют фотонные кристаллы с запрещенной зоной в диапазоне 0,7-0,9 мкм.(56) 1. Патент РБ 8036. 2. Патент РБ 6182 (прототип). 3. Голубев В.Г., Кособукин В.А., Курдюков Д.А., Медведев А.В., Певцов А.Б. Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных и инвертированных композитов опал-кремний // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35. Вып. 6. - С. 710-714. 4. 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 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 которых 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. Устройство позволяет повысить эффективность преобразования или в видимой, или в инфракрасной частях спектра солнечного излучения, но только лишь в узкой полосе частот, задаваемой размером металлических наночастиц (возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн осуществляется на резонансной частоте). Наиболее близким по технической сущности является устройство 2, содержащее 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 2 89622013.02.28 материала барьер Шоттки, 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 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 имеет малую эффективность преобразования инфракрасной части спектра солнечного излучения, которая составляет не более 17 , что существенно ограничивает область практического применения. Техническая задача - повышение эффективности преобразования длинноволновой части спектра входного электромагнитного излучения при одновременном расширении функциональных возможностей устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что солнечный элемент, содержащий прозрачную подложку, на тыльной стороне которой нанесена прозрачная проводящая пленка, на которой сформированы металлические усеченные прямоугольные пирамиды,электрически параллельно соединенные между собой аналогичными пирамидами, меньшие основания которых электрически связаны с ней, причем между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами последовательно нанесены первый слой полупроводникового материала и металлическая пленка, не имеющая электрического контакта с остальными токопроводящими материалами и образующая с первым слоем полупроводникового материала барьер Шоттки, напротив меньших оснований металлических усеченных прямоугольных пирамид расположены диэлектрические концентраторы с зеркальной внешней поверхностью, оптически связанные с первым слоем полупроводникового материала, при этом на всех больших основаниях усеченных прямоугольных пирамид нанесен второй слой полупроводникового материала, на котором сформированы инфракрасные приемники, соединенные последовательно или параллельно и содержащие как минимум по одному детектору и полуволновому вибратору, геометрические размеры которых заданы длиной волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды, содержит сформированные в каждом первом слое полупроводникового материала параллельно лицевой поверхности субмикронные структуры, а на торцах - зеркала. Для эффективного решения поставленной технической задачи субмикронные структуры выполнены на основе опаловых композитных материалов, содержащих слои, частично заполненные и (или) полностью заполненные кремнием. Для эффективного решения поставленной технической задачи субмикронные структуры образуют фотонные кристаллы с запрещенной зоной в диапазоне 0,7-0,9 мкм. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования инфракрасной части спектра солнечного излучения (составляющей 53 ) за счет существенного увеличения его поглощения полупроводниковым материалом диодов Шоттки. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема расположения слоев материалов солнечного элемента, где 1 - прозрачная подложка,2 - прозрачная проводящая пленка,3 - металлические усеченные прямоугольные пирамиды,4 - первый слой полупроводникового материала,5 - металлическая пленка,6 - диэлектрические концентраторы,3 89622013.02.28 7 - инфракрасные приемники,8 - субмикронные структуры,9 - зеркала,10 - второй слой полупроводникового материала. На фиг. 2 показано расположение элементов устройства на тыльной стороне подложки 1, где 11 - полуволновые вибраторы,12 - детекторы. В солнечном элементе на тыльную сторону прозрачной подложки 1 нанесена прозрачная проводящая пленка 2, на отдельных участках которой сформированы электрически соединенные металлические усеченные прямоугольные пирамиды 3 аналогичными пирамидами таким образом, что электрический контакт с ней имеют меньшие их основания. Между металлическими усеченными прямоугольными пирамидами 3 расположен первый слой полупроводникового материала 4, а на их больших основаниях - второй слой полупроводникового материала 10. На первый слой полупроводникового материала 4 нанесена металлическая пленка 5, образующая с ним барьер Шоттки. На втором слое полупроводникового материала 10 сформированы инфракрасные приемники 7, которые на каждой из металлических усеченных прямоугольных пирамид 3 соединены последовательно или параллельно. Инфракрасные приемники 7 - это полуволновые вибраторы 11, плечи которых электрически соединены с детекторами 12. Диэлектрические концентраторы 6 оптически связаны через прозрачную подложку 1 и прозрачную проводящую пленку 2 с первым слоем полупроводникового материала 4. Субмикронные структуры 8 расположены в первом слое полупроводникового материала 4 и оптически связаны с ним и с зеркалами 9, находящимися на торцах каждого первого слоя полупроводникового материала 4. В конкретном исполнении прозрачная подложка 1 - плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 2 мм, выполненная из легкого крона. Прозрачная проводящая пленка 2 это тонкий (50 нм) слой никеля или слой окиси олова. Металлические усеченные прямоугольные пирамиды 3 выполнены методами фотолитографии из никеля, меньшие основания которых расположены на прозрачной проводящей пленке 2. Первый слой полупроводникового материала 4 - это пленка поликристаллического кремния толщиной 0,8 мкм,нанесенная в вакууме. Верхняя сторона первого слоя полупроводникового материала 4,расположенного между металлическими усеченными пирамидами 3, выполняется легированной и вместе с нижней стороной металлической пленки 5 образует барьер Шоттки. Внутри первого слоя полупроводникового материала 4 выполнены субмикронные структуры 8 на основе опаловых композитных материалов, содержащие слои, частично заполненные и (или) полностью заполненные кремнием, который вводился в поры опаловой матрицы методом термического разложения газовой смеси силана (5 ) с аргоном, как в 3. Диэлектрические концентраторы 6 с внешними зеркальными сторонами - это призмы,угол между внешними зеркальными сторонами которых выбран меньшим 90, выполненные травлением из материала прозрачной подложки 1. Инфракрасные приемники 7 - это выполненные травлением из металлической пленки 5 полуволновые вибраторы 11, внутренние плечи которых электрически подключены к детекторам 12. Минимальное количествоинфракрасных приемников 7 определяется выражением/2, где- сумма периметров больших оснований всех металлических усеченных прямоугольных пирамид 4, - расстояние между инфракрасными приемниками,- длина волны преобразуемого инфракрасного излучения окружающей среды. Детекторы 12 выполнены в виде наноконденсаторов, для получения нелинейных вольт-амперных характеристик которых одно из плеч полуволновых вибраторов 11 покрывается пленкой материала с малой работой выхода электронов, например . Наноконденсаторы выполнены в виде нанозазоров между внутренними плечами полуволновых вибраторов 11, получающихся при их охлаждении до комнатной температуры после высокотемпературных технологических операций. Полученные нанозазоры способны выпрямлять электрические сигналы с частотой, соответ 4 89622013.02.28 ствующей диапазону длин волн инфракрасного излучения 4. Зеркала 9 выполнены из пленок алюминия толщиной 0,4 мкм, нанесенных по вакуумной технологии на торцах первых слоев полупроводникового материала 4. Второй слой полупроводникового материала 10 выполнен по вакуумной технологии из высокоомного кремния толщиной 0,7 мкм. Работа устройства осуществляется следующим образом. Входное солнечное излучение,нормально падающее на лицевую сторону прозрачной подложки 1, и те части его, которые отражаются от зеркальных поверхностей диэлектрических концентраторов 6, проходят через прозрачную подложку 1, прозрачную проводящую пленку 2 и поступают в первый слой полупроводникового материала 4. В этом слое полупроводникового материала 4 при нормальном падении происходит поглощение видимой части спектра (от 0,4 до 0,7 мкм) солнечного излучения, так как она не попадает в запрещенную зону фотонного кристалла,образованного субмикронными структурами 8, в то время как оставшаяся инфракрасная часть входного солнечного излучения (составляющая 53 ) отражается от субмикронных структур 8 и распространяется вдоль первого слоя полупроводникового материала 4, который является для нее оптическим волноводом. При отражении этого излучения от зеркал 9, расположенных на торцах первого слоя полупроводникового материала 4, оно опять продолжает распространяться вдоль этого слоя. При прохождении расстояния 13 мкм инфракрасное излучение практически полностью поглощается в этом слое. В результате этого в первом слое полупроводникового материала 4 генерируются пары носителей электрических зарядов, которые на его границе с металлической пленкой 5 разделяются барьером Шоттки, и тем самым создается разность потенциалов между металлической пленкой 5 и электрически соединенными металлическими усеченными прямоугольными пирамидами 3. А энергия электромагнитных волн инфракрасного излучения окружающей среды,в том числе и от элементов устройства, преобразуется полуволновыми вибраторами 10 в электрические токи высокой частоты, соответствующие длинам волн собственных частот полуволновых вибраторов 10. Выпрямление полученных высокочастотных токов осуществляется детекторами 11. В предлагаемой модели за счет отражения инфракрасной части спектра солнечного излучения от субмикронных структур 8, а также использования волноводных свойств первых слоев полупроводникового материала 4 и зеркал 9 расстояние распространения этого излучения в кремнии существенно увеличивается и тем самым повышается эффективность его преобразования. Таким образом, повышение чувствительности солнечного элемента в инфракрасной области спектра солнечного излучения позволяет расширить сферу его практического применения, например в системах безопасности, в качестве датчиков пламени, возгорания и т.д., тем более что технология его изготовления - это стандартная,хорошо освоенная кремниевая с минимальной материалоемкостью. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5