ФОТОЭЛЕМЕНТ

ФОТОЭЛЕМЕНТ


RU (11) 2222846 (13) C1

(51) 7 H01L31/04, H01L31/042 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002121061/28 
(22) Дата подачи заявки: 2002.08.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.08.08 
(45) Опубликовано: 2004.01.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1806424, бюл. № 12, 1993. JP 2000-285975, 13.10.2000. JP 2001-319698, 16.11.2001. JP 2001-273936, 05.10.2001. JP 2001-257012, 21.09.2001. SU 1801232, бюл. № 9, 1993. RU 2080690, 27.05.1997. JP 11-121787, 30.04.1999. JP 63-024667, 02.02.1988. RU 1632278, 15.10.1994. 
(72) Автор(ы): Займидорога О.А.; Проценко И.Е.; Самойлов В.Н. 
(73) Патентообладатель(и): Займидорога Олег Антонович; Проценко Игорь Евгеньевич; Самойлов Валентин Николаевич 
Адрес для переписки: 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Понтекорво, 20, кв.44, В.Н. Самойлову 

(54) ФОТОЭЛЕМЕНТ 

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Предложенный фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию электромагнитное излучение заданного спектрального диапазона, содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и р-типа с р-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой. При этом в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей. В результате повышается КПД устройства. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов

Известен фотоэлемент [1], включающий неорганический полупроводник, органический полимер, допированный пентахлоридом сурьмы, и полупрозрачный слой золота. Недостатком указанного фотоэлемента является низкий КПД, достигающий в максимуме лишь 1,2%.

Известен также фотоэлемент [2], который выбран в качестве прототипа данного изобретения. Указанный фотоэлемент состоит из металлической пластины, нанесенного на эту пластину фоточувствительного слоя, содержащего слой полупроводника n-типа и слой поли-Т-эпоксипропилкарбазола, допированного SbCl5, и полупрозрачную пленку золота. Недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно высокий КПД преобразования энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию, который не превышает 3,2%.

Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка и повышение КПД в 2-3 раза в заданном спектральном диапазоне. Поставленная цель достигается тем, что в известном фотоэлементе, преобразующем в электрическую энергию электромагнитное излучение заданного спектрального диапазона, содержащем расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и р-типа с p-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой, в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого фотоэлемента, где:

1 - металлическая пластина,

2 - слой полупроводника n-типа,

3 - слой полупроводника р-типа,

4 - область р-n-перехода,

5 - металлические наночастицы,

6 - прозрачный электропроводящий слой,

7 - падающее излучение.

На фиг.2 представлены:

Зависимости относительной эффективности P() преобразования энергии падающего излучения в электрическую энергию от длины волны падающего излучения для предлагаемого фотоэлемента с различной объемной концентрацией металлических наночастиц: (кривая 1 - 110-2, кривая 2 - 210-2, кривая 3 - 310-2, кривая 0 - без наночастиц).

Как показывает анализ резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводником, эффективность генерации фототока возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости среды взаимодействия. В предлагаемом фотоэлементе, указанная диэлектрическая проницаемость увеличивается в присутствии металлических наночастиц и зависит от их концентрации. Как видно из фиг. 2, для предлагаемого фотоэлемента со сферическими наночастицами серебра диаметром 10-30 нм в диапазоне длин волн падающего излучения 0,87-0,92 мкм относительная эффективность преобразования энергии увеличивается в 3 и более раз, приводя к увеличению КПД во столько же раз.

Пример реализации предлагаемого фотоэлемента:

Изготовление фотоэлемента происходит послойно. Используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии, на металлическую подложку наносится слой полупроводника n-типа (GaAs) толщиной 10 нм. Затем на поверхность полученного слоя наносится монослой металлических (серебряных) наночастиц путем распыления паров серебра через ядерный фильтр с порами диаметром менее 30 нм и плотностью пор около 108 1/см2. Затем поочередно наносятся слои полупроводника n-типа и наночастиц серебра, пока их общая толщина становится равной 40-50 нм, а концентрация наночастиц становится равной 410-2 объемных долей. После этого наносится слой полупроводника р-типа так, что общая толщина структуры становится равной 100 нм. Далее на полученную поверхность полупроводника р-типа наносится прозрачный электропроводящий слой - металлическая сетка. Расчетным путем показано, что относительная эффективность преобразования энергии возрастает в таком фотоэлементе в 2,5 раза.

Источники информации

1. Н.Ф. Губа и В.Д. Походенко, AC SU 1801232 A3.

2. Н.Ф. Губа и В.Д. Походенко, AC SU 1806424 A3. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Фотоэлемент, преобразующий в электрическую энергию электромагнитное излучение заданного спектрального диапазона, содержащий расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и р- типа с р-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой, отличающийся тем, что в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10-2 объемных долей