Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ХОЛОД(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод, содержащий термоэлектрический элемент, который включает р- и -полупроводниковые области с омическими контактами и внешними электрическими выводами, р- переход, отличающийся тем, что термоэлектрический элемент выполнен р- - -р структурой из широкозонного полупроводника, при этом на р-слое широкозонного полупроводника сформирован решетчатый омический контакт с просветляющим слоем, -слой широкозонного полупроводника выполнен толщиной (0,5-1,5), где- диффузионная длина свободных электронов, суммарная толщина обедненных областей р- перехода составляет (0,50,9), а на р-области широкозонного полупроводника размещен р-слой широкозонного полупроводника толщиной (0,1-0,5), который закреплен на металлическом основании с ребристой поверхностью. Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим холодильникам, функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использована в холодильных агрегатах бытовых и специальных холодильных аппаратов. Известный полупроводниковый термоэлектрический холодильник (преобразователь) 1, который содержит несколько термоэлектрических модулей, каждый из которых состоит из множества объединенных попарно термоэлектрических элементов. На одной стороне каждого модуля имеется рабочий канал, на другой стороне модуля размещен теплообменник. В модуле имеются полупроводниковые р- структуры. Такой полупроводниковый термоэлектрический преобразователь обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Прототипом предлагаемого устройства является термоэлектрический холодильник 2,который содержит ленту с проводящей полоской, из которой формируют матрицу контактов. Матрица контактов прикреплена к изолирующей пластине, представляющей плату термопреобразователя. Термоэлектрические элементы р- типа проводимости, расположенные между контактами платы и выводами, включают р- переход с примыкающими ри -полупроводниковыми областями и омическими контактами. Недостатками прототипа являются а) сложная конструкция полупроводникового термоэлектрического холодильника, содержащая множество элементов кроме полупроводникового р- преобразователя б) невысокая стабильность работы полупроводникового термоэлектрического холодильника из-за большого числа коммутирующих соединений в) поскольку используется узкозонный р- переход, например из германия, и высота его потенциального барьера незначительна, то полупроводниковый термоэлектрический холодильник обладает невысокой температурой охлаждения, причем по конструктивному исполнению он не может осуществить прямое преобразование солнечной энергии в эндотермическую электрическую энергию. Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе солнечной энергии в холод, содержащем термоэлектрический элемент с р- и полупроводниковыми областями, омическими контактами и внешними электрическими выводами, термоэлектрический элемент выполнен р-- -р структурой из широкозонного полупроводника, при этом на р-слое широкозонного полупроводника сформирован решетчатый омический контакт с просветляющим слоем, -слой широкозонного полупроводника выполнен толщиной (0,5-1,5), где- диффузионная длина свободных электронов, суммарная толщина обедненных областей р- перехода составляет (0,5-0,9), а на р-области широкозонного полупроводника толщиной (2-5) размещен р-слой широкозонного полупроводника, который закреплен на металлическом основании с ребристой поверхностью. В известных технических решениях признаков, сходных с заявляемым, не обнаружено. Поэтому предложенное устройство - полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод (ППСЭХ) - обладает существенными отличиями. На фиг. 1 изображена конструкция ППСЭХ, а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод состоит из полупроводниковой р- - -р структуры, включающей -слой 1 широкозонного полупроводника, -слой 2 широкозонного полупроводника и р-слой 3 того же широкозонного полупроводника. 2 54812009.08.30 На р-слое 3 широкозонного полупроводника, являющегося подложкой, сформирован р -слой 4, который жестко размещен на металлическом основании 5 и является омическим контактом к этому основанию. На -слое 1 широкозонного полупроводника сформирован сильнолегированный р-слой 6 широкозонного полупроводника в р- - -р структуре, на котором размещен просветляющий слой 7 и решетчатый омический контакт 8. Металлическое основание 5 выполнено с ребристой поверхностью и электрически соединено с решетчатым омическим контактом 8 проволочными выводами 9.- слой 1 полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод изготавливается из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем их жизни, низкой концентрацией собственных носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из кремния или арсенида галлия. В нем под воздействием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Ширина -слоя 1 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих - перехода, который обеспечивает дрейф электронов в -область и диффузию дырок к р-слою 6 широкозонного полупроводника. Его ширина зависит от концентрации носителей в -слое 1 и -слое 2 широкозонного полупроводника и составляет величину (0,5-1,5), где- диффузионная длина электронов-слой 2 широкозонного полупроводника легирован донорной примесью с концентрацией 10171019 см-3, его толщина выбирается из условия плавного монотонного снижения энергии, экстрагируемых через - переход электронов до энергии свободных электронов в слое 2 широкозонного полупроводника без повышения в нем температуры. Как показали результаты эксперимента, толщина -слоя 2 широкозонного полупроводника составляет(0,7-0,9). Р-слой 3 широкозонного полупроводника составляет с -слоем 2 второй резкий рпереход, он легирован акцепторной примесью с концентрацией 10171019 см-3, его толщина определяется полным поглощением в нем тепловой энергии решетки электронами, экстрагируемыми из -слоя 2 широкозонного полупроводника, и, как показали результаты эксперимента, составляет (25) или равен толщине используемой полупроводниковой подложки. Сильнолегированный р-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на р-слое 3 путем введения высокой концентрации акцепторной примеси 1020-1021 см-3,обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с металлическим основанием 5. Его толщина составляет (0,10,5). Аналогичной толщиной и концентрацией легирующей примеси обладает сильнолегированный р-слой 6 широкозонного полупроводника, размещенного на -слое 1. Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего солнечного излучения, на поверхность р-слоя 6 широкозонного полупроводника в области решетчатого омического контакта 8 нанесен просветляющий слой 7 (прозрачный антиотражательный элемент), оптическая плотность которого выше, чем у р-слоя 6. В качестве материала просветляющего слоя используются окислы кремнияи О 2, а оптимальная толщина просветляющего слоя 7 составляет 0,05-0,15 мкм. Толщина металлического слоя решетчатого омического контакта 8 составляет 1-3 мкм, а занимаемая им площадь составляет 512 от всей площади р-слоя 6 устройства. При контакте невырожденных полупроводников количество поглощаемой тепловой энергии в р-слое 3 от инжектированных в него электронов из -области 2 зависит от соотношения концентрации электронов в этих областях (/) с учетом того, что через - переход инжектированные из -слоя 1 электроны практически проходят в -слой 2 без потерь. Для повышения высоты потенциального барьера второго резкого р- перехода,определяющего разность энергий электронов на его границах, -слой 2 легирован донорной примесью с концентрацией примеси 10171019 см-3, а р-слой 3 легирован акцепторной примесью с концентрацией 10161019 см-3. Поскольку концентрация электронов в -области 2 при инжекции фотогенерированных электронов из -слоя 1 дос 54812009.08.30 тигает 1019 см-3 и выше, а концентрация собственных электронов р-области 3 широкозонного полупроводника составит 107108 см-3,то соотношение /1010. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в р-слое 3 широкозонного полупроводника также зависит от разности энергий инжектированных из -слоя 2 электронов и энергии электронов в р-слое 3 широкозонного полупроводника, то есть от параметра А 2/1, где А - коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в -слое 2 1 и р-слое 3 широкозонного полупроводника 2,- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Для структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод на основе кремния коэффициент А 2,0. Для обеспечения максимальной инжекции электронов из -слоя 2 в р-слой 3 широкозонного полупроводника через резкий -р переход и минимизации потерь энергии электронов в его обедненных областях суммарная толщина обедненных - и р-областей резкого -р перехода составляет (0,50,9). Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод работает следующим образом. При воздействии квантов солнечного света либо фотонов других источников излучений на рабочую поверхность (р-слой 6) полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод со стороны решетчатого омического контакта 7 фотоны с энергией ЕЕ поглощаются в -слое 1 широкозонного полупроводника, создавая в этом слое избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями(1)рр,где- квантовый выход- коэффициент поглощения света (в -слое 1)- интенсивность солнечного излучения , р - время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители заряда устремляются к -р переходу, разделяются его полем,причем электроны дрейфуют в -слой 2 широкозонного полупроводника, а дырки к рслою 6 широкозонного полупроводника, захватываются его полем и переносятся в омический контакт. Вследствие разделения зарядов на - переходе возникает фотоЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе/ 1(ф/з), (2) и течет ток через - переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками. Здесь ф - максимальная плотность фотопотока, соответствующая данной освещенности.- ток насыщения -р перехода. В общем случае при заданной интенсивности света фотопоток, обусловленный избыточными фотоносителями заряда с концентрациями А и Ар, определяется выражением(4) ф. Нагрузкой фотоЭДС, формируемой при поглощении фотоизлучения, является резкий р- переход, внешний электрический вывод которого закорочен на металлическое основание 5, причем это напряжениеявляется прямым напряжением, прикладываемым к рпереходу. Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации носителей в -слое 2 широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из -слоя 2 широкозонного полупроводника через резкий р- переход в р-слой 3, причем плотность тока через него описывается зависимостью где- ток насыщения , ,- соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана,температура 1,51 - поправочный коэффициент. При последовательном соединениии р- переходов их ток является общим, то есть аф. 4 54812009.08.30 Инжектирующие в р-слой 3 широкозонного полупроводника через резкий р- переход на расстоянии диффузионной длиныпоглощают из кристаллической решетки этого слоя энергию и повышают ее до величины энергии р-слоя 3. В результате отбора электрической энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки р-слоя ее температура и соответственно температура полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостьюП,(6) где П - коэффициент Пельтье-- ток, протекающий через р- переход широкозонного полупроводника сечением- время протекания тока. Коэффициент Пельтье для р- перехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимостиП 1,(7) где А - коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в р- и -областяхи- концентрация собственных электронов в - и р-слоях р- перехода. Для предлагаемой р- - - структуры коэффициент А 2,0, а отношение (/р)6. Поэтому с учетом (7) поглощаемая тепловая энергия полупроводниковым преобразователем солнечной энергии в холод по сравнению с устройствами-аналогами при одинаковых значениях 10 ивозрастает в 2,03 раза. 6 Повышение стабильности работы предложенного устройства в сравнении с аналогами заключается в существенном упрощении его конструкции и использовании в качестве теплопоглощающей области широкозонного полупроводника. Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод, выполненный структурой р- плавный переход - резкий -р переход с омическими контактами, электрически соединенными с металлическим основанием 5. р-слой 4 и р-слой 6 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации 5,1020 см-3, их толщина составляет 0,2 мкм. -слой 1 представляет собственный кремний толщиной 1 мкм, - переход выполнен плавным шириной 1,0 мкм,на нем и ширине -слоя 2 снижается энергия фотоэлектронов до уровня энергии электронов в -слое 2 кремния. Этот -слой легирован донорской примесью - фосфором до 3,1018 см-3 и сформирован толщиной 0,8 мкм. Суммарная толщина резкого - перехода составляет 0,5 мкм. р-слой 3 кремния сформирован путем легирования бором с концентрацией 3,1018 см-3. Его толщина выбрана с учетом полного поглощения инжектированными из -слоя 2 электронами энергии его решетки и составляет 5 мкм. Металлическое основание выполнено из алюминия толщиной 1 мм с ребристой наружной поверхностью для обеспечения высокого теплообмена металлического основания с окружающей средой. Экспериментальный полупроводниковый преобразователь солнечной энергии в холод при интенсивности солнечного излучения 70 мВт/см 2 позволяет получать предельную температуру охлаждения -2 С, расчетная надежность безотказной работы устройства составляет 105 часов. Для прототипа эти параметры соответственно составляют 10 С и 2104. На базе предлагаемого устройства при использовании матрицы элементов может быть создан солнечный термохолодильник требуемых объемов охлаждения и температур. Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод в сравнении с базовым устройством, прототипом и аналогами 1. Более чем в 3 раза возрастает предельная температура охлаждения. 2. Более чем в 4 раза повышается стабильность работы устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6