Солнечный термоэлектрический холодильный элемент

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СОЛНЕЧНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Сычик Андрей Васильевич Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Солнечный термоэлектрический холодильный элемент, содержащий термоэлектрический элемент с - переходом, - иполупроводниковыми областями, омическими контактами и внешними электрическими выводами, отличающийся тем, что термоэлектрический элемент выполнен - - - структурой из широкозонного полупроводника, при этом - - структура выполнена решетчатой, состоящей из выступов в форме усеченных четырехгранных пирамид шириной (50200) микрон с наклоном граней к своей оси под углом (1560) градусов, высотой каждый (30300) микрон и расстоянием между выступами (80200) микрон, на р-слое толщиной (0,10,3) , где- диффузионная длина носителей заряда, размещен электропроводящий просветляющий слой из светопрозрачного материала, толщина -слоя широкозонного полупроводника составляет(0,50,9), -слой выполнен толщиной (0,70,9) , а толщина нижнего р-слоя соответствует толщине полупроводниковой подложки из широкозонного полупроводника. 55402009.08.30 Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим холодильникам, функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных агрегатах бытовых и специальных холодильных аппаратов. Известен солнечный термоэлектрический холодильник 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. Такой полупроводниковый солнечный термоэлектрический холодильный элемент обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Также известен солнечный термоэлектрический холодильник 2, включающий термоэлектрические преобразователи термопарного типа с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Такой термоэлектрический холодильник обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Прототипом предлагаемой полезной модели является солнечный термоэлектрический холодильный элемент 3, который содержит ленту с проводящей полоской, из которой формируют матрицу контактов для первой стороны термоэлектрического холодильного элемента. Матрица контактов прикреплена к изолирующей пластине, представляющей плату термопреобразователя. Термоэлектрические элементы типа проводимости, расположенные между контактами платы и выводами, включают - - переход с примыкающими - и -полупроводниковыми областями и омическими контактами. Недостатками прототипа являются а) сложная конструкция солнечного термоэлектрического холодильного элемента, содержащая множество элементов, кроме полупроводникового - преобразователя б) невысокая стабильность работы солнечного термоэлектрического холодильного элемента из-за большого числа коммутирующих соединений в) неэффективно используется активная фоточувствительная поверхность солнечного термоэлектрического холодильного элемента, что приводит к существенному снижению эндотермической электрической энергии г) поскольку используется - переход, например из германия, и высота потенциального барьера незначительна, то солнечный термоэлектрический холодильный элемент обладает невысокой температурой охлаждения, причем по конструктивному исполнению он не может осуществить прямое преобразование солнечной энергии в эндотермическую электрическую энергию. Техническим результатом полезной модели является преобразование солнечной энергии в эндотермическую электрическую энергию, повышение активной фоточувствительной поверхности и повышение температуры охлаждения. Поставленная задача достигается тем, что в солнечном термоэлектрическом холодильном элементе, содержащем термоэлектрический элемент с - переходом, - и полупроводниковыми областями, омическими контактами и внешними электрическими выводами, термоэлектрический элемент выполнен структурой из широкозонного полупроводника, при этом структура выполнена решетчатой, состоящей из выступов в форме усеченных четырехгранных пирамид шириной (50200) микрон с наклоном граней к своей оси под углом (1560) градусов, высотой каждый (30300) микрон и расстоянием между выступами (20200) микрон, на р-слое толщиной (0,10,3) , где-диффузионная длина носителей заряда, размещен электропроводящий просветляющий слой из светопрозрачного материала, толщина -слоя широкозонного полупроводника составляет (0,50,9) , -слой выполнен толщиной (0,70,9) , а толщина нижнего р-слоя соответствует толщине полупроводниковой подложки из широкозонного полупроводника. Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция солнечного термоэлектрического холодильного элемента, а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. 2 55402009.08.30 Конструктивно солнечный термоэлектрический холодильный элемент (СТЭХЭ) состоит из полупроводниковой рр-структуры, включающей нижний р-слой 1 широкозонного полупроводника, представляющий полупроводниковую подложку и выполненный решетчатой структурой, на котором последовательно размещен -слой 2, слой 3 собственной проводимости, р-слой 4, которые выполнены из того же широкозонного полупроводника. На сильнолегированном р-слое 4 сформирован электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала, одновременно являющийся просветляющим слоем. На электропроводящий слой 5, являющийся омическим контактом к р-слою 4 широкозонного полупроводника, нанесен внешний металлический вывод 6. Р-слой 1 широкозонного полупроводника размещен на металлическом основании 7, являющемся внешним выводом СТЭХЭ.-слой 2 широкозонного полупроводника легирован донорной примесью с концентрацией (10101017) см-3, с р-слоем 1 он создает резкий р- переход. 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 (0,70,9) , где- диффузионная длина электронов.-слой 3 солнечного термоэлектрического холодильника формируется из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни, низкой концентрацией собственных носителей заряда и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, например, из кремния или арсенида галлия. В нем под действием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Ширина -слоя 3 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих - перехода, который обеспечивает дрейф электронов в область СТЭХЭ и диффузию дырок к р-слою 4 широкозонного полупроводника. Его ширина зависит от концентрации носителей в -слое 3 и -слое 2 широкозонного полупроводника и составляет величину (0,50,9) . -слой 3 составляет с -слоем 2 резкий рпереход. Сильнолегированный р-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на слое 3 путем введения акцепторной примеси с высокой концентрацией(10201021) см-3, создает с -слоем 3 резкий переход, инжектирующий в р-слой 4 фотогенерированные дырки в -слое 3 и тормозящий движение электронов к р-слою 4. Рслой 4 обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с электропроводящим слоем 5 из светопрозрачного материала, например окиси олова-индия,который одновременно является просветляющим слоем. Р-слой 4 выполнен толщиной(0,10,3) , а электропроводящий слой 5 выполнен толщиной 0,10,5 микрон. На электропроводящий слой 5 по контуру нанесен внешний омический вывод 6 из металла. Нижний р-слой 1 широкозонного полупроводника сильнолегирован до концентрации(10201021) см-3, он является полупроводниковой подложкой, обладая толщиной(0,10,2) мм. Своей нижней частью он с помощью электропроводящего клея жестко установлен на металлическом основании 7, выполняющем функцию нижнего внешнего электрода СТЭХЭ. Для увеличения активной поверхности фоточувствительной структуры СТЭХЭ, что приводит к существенному увеличению плотности ее выходного тока и повышения степени охлаждения, ее активная поверхность выполнена состоящей из выступов в форме усеченных четырехгранных пирамид, причем первичная решетчатая структура сформирована методом фотолитографии на р-слое 1, то есть на полупроводниковой подложке, на решетчатую поверхность которой последовательно методом газофазной эпитаксии нанесен -слой 2, -слой 3, р-слой 4 и методом ионного распыления электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала. 3 55402009.08.30 В соответствии с результатами расчета оптимальная высота выступов составляет(30300) микрон, угол наклона граней выступов к своей оси - (15 60) градусов, ширина выступов составляет (50260) микрон, а расстояние между выступами (20200) микрон. В результате суммарная площадь фоточувствительной структуры типа - повышается более чем в 5 раз, в таком соотношении возрастает плотность ее выходного тока и существенно возрастает степень охлаждения СТЭХЭ. Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего солнечного излучения - фоточувствительной структурой СТЭХЭ на поверхность р-слоя 4 нанесен электропроводящий слой из светопрозрачного материала 5, который выполняет функцию просветляющего слоя, снижающего поверхностную рекомбинацию носителей заряда на границе р-слой 4 - электропроводящий слой 5. Толщина электропроводящего слоя 5 из светопрозрачного материала (, ) составляет (0,10,5) микрон. Верхний вывод 6 СТЭХЭ электрически соединен с металлическим основанием 7 электрической перемычкой 8. При контакте невырожденных полупроводников количество поглощаемой тепловой энергии в р-слое 1 от инжектированных в нее электронов из -слоя 2 зависит от соотношения концентрации электронов в этих слоях (/) с учетом того, что через - переход инжектированные из -слоя 3 электроны практически переходят в -слой 2 без потерь. Для повышения высоты потенциального барьера -р перехода, определяющего разность энергий электронов на его границах, -слой 2 легирован донорной примесью с концентрацией примеси 10161017 см 3, а р-слой 1 легирован акцепторной примесью с концентрацией(10201021) м-3. Поскольку концентрация электронов в -слое 2 при инжекции фотогенерированных электронов из -слоя 1 достигает 1019 см-3 и выше, а концентрация собственных электронов р-слоя 1 широкозонного полупроводника составит(107108) см-3,то соотношение /р 1010. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в р-слое 1 широкозонного полупроводника также зависит от разности энергий инжектированных из -слоя 2 электронов и энергии электронов в р-слое 1 широкозонного полупроводника, то есть от параметра 2/1,где А - коэффициент, учитывающий соотношение энергии электронов в -слое 2-1 и рслое 1 широкозонного полупроводника - 2,- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Для структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод на основе кремния коэффициент А 2,2. Для обеспечения максимальной инжекции электронов из -слоя 2 в р-слой 1 широкозонного полупроводника через резкий -р переход и минимизации потерь энергии электронов в его обедненных областях суммарная толщина обедненных - и -областей резкого перехода составляет (0,30,7) . Солнечный термоэлектрический холодильный элемент работает следующим образом. При воздействии квантов солнечного света, либо фотонов от других источников излучений на рабочую поверхность (р-слой 4) фоточувствительной структуры СТЭХЭ со стороны светопрозрачного омического контакта 5 фотоны с энергиейпоглощаются в слое 3 широкозонного полупроводника, создавая в этом слое избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями(1),,где- квантовый выход- коэффициент поглощения света в -слое 3- интенсивность солнечного излучения ,- время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители устремляются к - переходу, разделяются его полем, причем электроны дрейфуют в -слой 2 широкозонного полупроводника, а дырки - к р-слою 4 широкозонного полупроводника, захватываются его полем и переносятся в омический контакт. 4 55402009.08.30 Вследствие разделения зарядов на - переходе возникает фотоЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе и течет ток через - переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками Здесь ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенноститок насыщения - перехода. В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациямииопределяется выражением ф.(4) Нагрузкой фотоЭДС, формируемой при поглощении солнечного излучения, является резкий - - переход, внешний электрический вывод которого закорочен на металлическое основание 7, причем это напряжениеявляется прямым напряжением, прикладываемым к - - переходу. Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации носителей в -слое 2 широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из -слоя широкозонного полупроводника 2 через резкий - - переход в р-слои 1, причем плотность тока через него описывается зависимостью где- ток насыщения е, к, Т - соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана,температура 11,5 поправочный коэффициент. При последовательном соединении - и -р - переходов их ток является общим, то есть аф. Инжектирующие в р-слой 1 широкозонного полупроводника через резкий - переход электроны на расстоянии диффузионной длиныпоглощают из кристаллической решетки этого слоя энергию и повышают ее до величины энергии в р-слое 1. В результате отбора электрической энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки р-слоя 1 ее температура и соответственно температура СТЭХЭ понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостьюП,(6) где П - коэффициент Пельтье,- ток, протекающий через резкий - - переход широкозонного полупроводника с суммарным сечением решетчатой структуры- время протекания тока. Коэффициент Пельтье для -р перехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимостиП где А - коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в - и -областяхи- концентрация собственных электронов в - и -областях перехода. Для предлагаемой структуры коэффициент А 2,0, а отношение (а)6. Поэтому с учетом (7) поглощаемая тепловая энергия солнечным термоэлектрическим холодильным элементом по сравнению с устройствами-аналогами при одинаковых значениях величинивозрастает в 2,0 10/63 раза. 55402009.08.30 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 - солнечный термоэлектрический холодильный элемент, выполненный структурой резкий - переход и - резкий переход с омическими контактами, электрически соединенными с металлическим основанием 7. Р-слой 4 и р-слой 1 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации 51020 см-3, толщина р-слоя 4 составляет 0,2 мкм. -слой 3 представляет собственный кремний толщиной 1 мкм, - переход выполнен плавным шириной 1,2 мкм,на нем и на -слое 2 снижается энергия фотоэлектронов до уровня энергии электронов в слое кремния. Этот -слой легирован донорной примесью - фосфором до 1017 см-3 и сформирован толщиной 0,8 мкм. Суммарная толщина резкого - перехода составляет 0,5 микрон. Р-слой 1 кремния сформирован путем легирования подложки бором с концентрацией 51020 см-3. Его толщина выбрана с учетом полного поглощения инжектированными из -слоя 2 электронами энергии ее решетки и составляет 0,1 мм. Металлическое основание выполнено из алюминия толщиной 1 мм сечением 1 см 2. Рр-структура выполнена решетчатой, состоит из выступов высотой 200 микрон, шириной у основания 100 микрон, наклоном граней к своей оси 35 и расстоянием между выступами 50 микрон. В результате эффективная поверхность фоточувствительной рструктуры в 5 раз выше поверхности нерешетчатой структуры. Внешний электрический вывод 6 представляет слойтолщиной 2 мкм, шириной 1 мм по периметру края проводящего слоя и соединен с алюминиевым основанием 7 алюминиевой перемычкой 8. Экспериментальный солнечный термоэлектрический холодильный элемент при интенсивности солнечного излучения 70 мВт/см 2 позволяет получать предельную температуру охлаждения 6 С, расчетная надежность безотказной работы устройства составляет 105 часов. Для прототипа эти параметры соответственно составляют 10 С и 2104 часов. На базе предлагаемого устройства при использовании матрицы элементов может быть создан солнечный термохолодильник требуемых объемов охлаждения и температур. Технико-экономические преимущества предлагаемого солнечного термоэлектрического холодильного элемента в сравнении с базовым устройством-прототипом и аналогами 1. Более чем в 5 раз возрастает предельная температура охлаждения и фоточувствительная поверхность. 2. Более чем в 4 раза повышается стабильность работы устройства. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.