ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2331141 (13) C1

(51) МПК
H01L 31/04 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - действует 

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

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2007106584/28 
(22) Дата подачи заявки: 2007.02.22 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2007.02.22 
(45) Опубликовано: 2008.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 2006032529 A1, 16.12.2006. RU 2222846 C1, 27.01.2004. RU 2217845 C1, 27.11.2003. SU 1806424 A3, 30.03.1993. RU 2105388 C1, 20.02.1998. RU 2102821 C1, 20.10.1998. JP 2000285975 A, 13.10.2000. 
(72) Автор(ы): Проценко Игорь Евгеньевич (RU); Займидорога Олег Антонович (RU); Рудой Виктор Моисеевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Новые энергетические технологии" (RU) 
Адрес для переписки: 117279, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 55А, ЗАО "Центр патентных услуг", пат.пов. К.А.Суворову, рег.№ 1106 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Преобразователь по изобретению содержит по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды. При этом преобразователь также содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрацию падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения. В результате обеспечиваются усиление фототока и повышение КПД преобразователя. 22 з.п. ф-лы, 6 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


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

В настоящее время известно сравнительно большое число промышленно выпускаемых устройств для преобразования энергии электромагнитного излучения (далее по тексту также «фотоэлемент»), однако до сих пор основной проблемой по существу всех устройств такого типа является невысокий коэффициент их полезного действия (КПД).

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

Известен также фотоэлемент [2], который состоит из металлической пластины, нанесенного на эту пластину фоточувствительного слоя, содержащего слой полупроводника n-типа и слой поли- -эпоксипропилкарбазола, легированного SbCl 5, и полупрозрачную пленку золота. Недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно высокий КПД преобразователя энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию, который не превышает 3,2%.

Известен также метод повышения КПД промышленных фотоэлементов [3], в котором предлагается наносить на поверхность последних покрытие, обеспечивающее преобразование синей и ультрафиолетовой части спектра электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент, в длинноволновую область, эффективность преобразования излучения в которой в твердотельных приборах выше (л.20-25, стр.8 и последний абзац стр.1 [3]). Кроме того, в известном методе достигается хорошая направленность преобразованного излучения (л.35-40 стр.6 [3]). Эти эффекты достигаются совокупностью различных мер, одна из которых - использование (неметаллических) нанокристаллов с квантоворазмерными эффектами (последний абзац стр.2 - первый стр.3 [3]). Идею модернизации уже существующих преобразователей электромагнитного излучения вместо изготовления новых следует признать в целом удачной и эффективной, однако недостатком известного метода является сравнительная сложность предлагаемого решения, которая может приводить к усложнению технологии производства и, соответственно, повышению стоимости фотоэлементов.

Известен также фотоэлемент [4, 5], выполненный на основе органического полупроводникового материала, в котором для повышения КПД предлагается внедрить металлические наночастицы на границу р-n-перехода органического фоточувствительного элемента и использовать концентрирование электромагнитного поля вблизи наночастиц для повышения эффективности фотоэлемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является преобразователь электромагнитного излучения, известный из [6], представляющий собой двухкаскадную солнечную батарею, включающую два р-n-перехода, каждый из которых сформирован двумя слоями органических материалов р и n типа, причем р-n-переходы располагаются последовательно, один под другим, а в месте их соединения имеется монослой металлических наночастиц диаметром 10 нанометров. Основная роль слоя наночастиц хорошо известна - обеспечивать рекомбинацию электронов и дырок, поступающих на них с верхнего и нижнего р-n-переходов или, иными словами, предотвратить накопление в р-n-переходах заряда, который мог бы блокировать работу многокаскадного фотоэлемента (см. [7, 8] а также статью [9], по материалам которой составлена заявка [6]). Сущность изобретения [6] состоит в использовании увеличения интенсивности электромагнитного поля около слоя металлических наночастиц на длине волны, возбуждающей локализованный плазменный резонанс частиц (см. абзацы [0025] и [0071] заявки [6]), что может привести к небольшому (порядка 15% - см. абзац [0077] заявки [6]) увеличению эффективности генерации фототока.

Основные недостатки фотоэлементов [4-6] обусловлены их конструкцией и используемыми материалами. Следует отметить, что из-за использования органических полупроводников органические фотоэлементы характеризуются изначально меньшими значениями КПД в сравнении с традиционными твердотельными, например, выполненными на основе кремния или арсенида галлия, а основным их преимуществом является сравнительно невысокая стоимость по сравнению с кремниевыми. Увеличение КПД органического фотоэлемента даже на 15% не приводит к кардинальному повышению эффективности преобразователей. Кроме того, в известных решениях предлагается внедрять наночастицы в толщу органического полупроводника, в результате чего, например, известные решения не могут быть использованы при модернизации существующих фотоэлементов.

Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя электромагнитного излучения, имеющего КПД в 1,5-2 раза выше КПД традиционных фотоэлементов, например, на основе кремния или арсенида галлия, и допускающего его реализацию путем модификации существующих фотоэлементов для повышения их эффективности.

Указанная задача решается тем, что преобразователь электромагнитного излучения, содержащий по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды, согласно изобретению дополнительно содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрирование падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения.

В одном из предпочтительных частных случаев реализации изобретения указанные металлические наночастицы расположены с лицевой воспринимающей падающее электромагнитное излучение стороны преобразователя.

При этом указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности или внутри удерживающего слоя, нанесенного на лицевую воспринимающую падающее электромагнитное излучение поверхность, причем указанный удерживающий слой может представлять собой слой диэлектрика или полупроводника.

В другом случае указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую воспринимающую падающее электромагнитное излучение поверхность и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя. При этом по крайней мере один из указанных удерживающих слоев может быть слоем диэлектрика или полупроводника.

В другом предпочтительном случае осуществления изобретения указанные наночастицы расположены с тыльной стороны преобразователя, противоположной стороне, воспринимающей падающее электромагнитное излучение.

При этом указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности или внутри удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя, причем указанный удерживающий слой может представлять собой слой диэлектрика или полупроводника.

В еще одном случае указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя, и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя, причем по крайней мере один из указанных удерживающих слоев предпочтительно представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.

В третьем предпочтительном частном случае осуществления изобретения преобразователь содержит по крайней мере два фоточувствительных слоя, и между по меньшей мере двумя указанными фоточувствительными слоями имеется слой, удерживающий указанные металлические наночастицы.

К токосъемным электродам может быть приложено напряжение от внешнего источника, тогда преобразователь используется, в том числе, как фотодетектор.

Предпочтительно концентрация наночастиц внутри удерживающих слоев равна (1÷75)/100 объемных долей. При расположении наночастиц на поверхности удерживающего слоя предпочтительно, чтобы поверхностная плотность наночастиц на поверхности удерживающего слоя была равна (1÷75)/100 объемных долей.

В частном случае по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.

В рамках настоящего изобретения под слоем понимается трехмерная структура, которая имеет по крайней мере одну общую характеристику в любой своей точке или сечении (в том числе, выполнение из одного материала, наличие единой функции, свойства и т.п.) и которая при этом может быть обособлена от окружающих структур (в том числе слоев) физически и/или функционально. Следует отметить, что слой может выполняться из одного или нескольких материалов, являться непрерывным (в том числе выполняться в виде пласта), с изъятиями (например, отверстиями), или же состоять из совокупности нанокристаллов или изолированных друг от друга трехмерных «островковых» структур, которые тем не менее обладают хотя бы одним общим свойством, могут быть обособлены от окружающих структур физически или функционально и потому в рамках изобретения определяются и рассматриваются в качестве слоя.

Далее под фоточувствительным слоем следует понимать слой, в котором при поглощении электромагнитного излучения генерируется фототок, улавливаемый токосъемными электродами, например р-слой или n-слой или совокупность последовательно расположенных р- и n-слоев (т.е. слоев с дырочной проводимостью и электронной проводимостью соответственно). Фоточувствительный слой по изобретению предпочтительно выполнен из твердых полупроводниковых материалов, например, в виде монокристаллических или поликристаллических структур или совокупности нанокристаллов, в том числе с образованием в этой совокупности р-n-переходов.

Под лицевой поверхностью, на которую может наноситься один или несколько удерживающих слоев, будет пониматься поверхность преобразователя, непосредственно воспринимающая падающее электромагнитное излучение в отсутствие указанных удерживающих слоев. Аналогично под тыльной будет пониматься поверхность преобразователя, противоположная лицевой, в отсутствие удерживающих слоев.

Изобретение поясняется далее более подробно на конкретных примерах его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:

- на фиг.1 - схематическое изображение заявленного преобразователя в одном из предпочтительных случаев его осуществления (в сечении);

- на фиг.2 - график зависимости относительного увеличения плотности фототока, возникающего при поглощении солнечного излучения в фоточувствительном слое заявленного преобразователя, от толщины этого слоя;

- на фиг.3 - спектр поглощения и переизлучения широкополосного электромагнитного излучения монослоем сферических серебряных наночастиц;

- на фиг.4 - спектр заданного падающего электромагнитного излучения, которое переизлучается слоем сферических серебряных наночастиц, как показано на фиг.3;

- на фиг.5 - спектры излучения отдельных наночастиц серебра в примере, показанном также на фиг.3 и 4.

- на фиг.6 - распределение электростатических полей в фоточувствительном слое и в диэлектрическом удерживающем слое с наночастицами (слева) и схема, поясняющая генерацию фототока вблизи наночастицы и в фоточувствительном слое (справа).

Как показано на фиг.1, преобразователь в описываемом конкретном случае его осуществления содержит металлический контакт (электрод) 1 и подложку 2. На подложке 2 располагается фоточувствительный слой 3, в котором происходит генерация фототока при поглощении падающего электромагнитного излучения за счет наличия в слое 3 по крайней мере одного р-n-перехода. Генерация фототока может частично происходить в подложке 2, при этом неравновесные фотоиндуцированные носители диффундируют к сплошному контакту 1 и полосковым контактам 5. На лицевой поверхности преобразователя, образованной обращенной в сторону внешнего электромагнитного поля 7 поверхностью слоя 3, расположены полосковые электрические контакты 5, вместо которых в других частных случаях осуществления изобретения могут использоваться сплошные или несплошные (разрывные) прозрачные токопроводящие слои (например, слой смешанного оксида индия и олова (ITO)). Поверх лицевой стороны фоточувствительного слоя 3 и контактов 5 нанесен сплошной удерживающий диэлектрический слой 4, внутри которого размещены металлические наночастицы 6.

Основным отличием заявленного преобразователя от фотоэлементов, известных на предшествующем уровне техники, является увеличение плотности фототока и, как следствие, КПД за счет двух механизмов, которые совместно действуют в каскадах генерации фототока заявленного преобразователя. В рассматриваемом примере имеются два каскада: первый каскад составляет фоточувствительный слой 3, а второй каскад - прозрачный удерживающий диэлектрический слой 4 с помещенными в него металлическими частицами 6 (см. фиг.1, 6). При других реализациях возможно наличие более двух каскадов генерации фототока (за счет увеличения числа фоточувствительных и/или удерживающих слоев).

Первый механизм увеличения плотности генерируемого фототока связан с «концентрированием» наночастицами 6 внешнего электромагнитного поля (ЭМП) 7. Металлические наночастицы 6 поглощают и переизлучают внешнее ЭМП 7 заданного спектра. Металл частиц 6 и материал удерживающего слоя 4, в котором размещены частицы 6, подбираются таким образом, чтобы максимум спектра внешнего ЭМП 7 соответствовал максимуму поглощения ЭМП наночастицами 6 и находился вблизи локализованного плазменного резонанса (ЛПР) наночастиц 6. Так как размер наночастиц 6 по изобретению не превосходит характерную длину волны падающего электромагнитного излучения, наночастицы 6 излучают как диполи, поэтому рассеяние ЭМП наночастицами 6 отсутствует.

Для расчетов параметров конкретной реализации фотоэлемента могут быть использованы известные формулы [10, 11] и основанные на них известные численные методы. Согласно расчетам при близости максимумов спектров внешнего ЭМП и ЛПР наночастиц 6 плотность энергии переизлученного наночастицами 6 ЭМП оказывается на расстояниях от поверхности наночастиц 6 порядка 1-2 их диаметров в несколько раз выше, чем плотность энергии падающего ЭМП, т.е. наночастицы 6 «концентрируют» ЭМП ближней зоны подобно тому, как обычное (дальней зоны) ЭМП концентрируется линзами или оптическими резонаторами. Оптимальная толщина фоточувствительного слоя 3, где имеет место концентрирование ЭМП наночастицами 6, составляет 100-200 нм, более точное значение определяется из экспериментов и путем численных расчетов для конкретной реализации предлагаемого фотоэлемента и зависит от материала и формы наночастиц и показателей преломления слоев 3 и 4. Концентрация широкополосного ЭМП (как, например, ЭМП солнечного спектра) оказывается возможной потому, что спектр ЛПР наночастиц 6, взаимодействующих друг с другом через ближнее ЭМП, неоднородно уширен, т.е. состоит из большого числа полос, сдвинутых относительно друг друга и перекрывающих спектр заданного падающего ЭМП. Сильные внутренние поля, существующие в фоточувствительных слоях с генерацией фототока (например, на р-n переходах) быстро разделяют фотоиндуцированные носители, так что они не успевают рекомбинировать [12], поэтому плотность фототока в первом каскаде (слое 3) предлагаемого преобразователя пропорциональна плотности энергии переизлученного наночастицами 6 ЭМП, т.е. она превосходит плотность генерируемого фототока в аналогичном фотоэлементе без наночастиц во столько раз, во сколько раз различаются плотности энергии падающего и переизлученного полей. Фактор увеличения фототока в зависимости от глубины h фоточувствительного слоя 3 показан на фиг.2.

Эксперименты, демонстрирующие усиление фототока в фотоэлементе с покрытием из металлических сферических наночастиц диаметром около 30 нм, проводились, в частности, с кремниевыми пластинами площадью 1 см2 с приповерхностным р-n-переходом (фоточувствительным слоем) без наночастиц на лицевой стороне, а также с нанесенными туда, на удерживающий слой полимера, серебряными наночастицами. Частицы располагались случайным образом, в виде монослоя с поверхностной плотностью 0,35, на удерживающем слое 4, например мономолекулярном слое поливинилпиридина (ПВП). Эффективный показатель преломления удерживающего слоя 4 (зависящий от присутствия наночастиц) согласно оценкам выбирался равным 3,4. Наночастицы серебра 6 располагались на расстоянии 5 нм от фоточувствительного слоя 3. При мощности широкополосного падающего электромагнитного излучения 10 мВт наблюдался фототок около 0,2 мА для кремния без наночастиц и 0,55 мА при наличии серебряных наночастиц. Структура р-n-переход - серебряные наночастицы эквивалентна р-n-n+-переходу (два "сонаправленных" диода), совместное действие которых приводило, вместе с концентрированием ЭМП наночастицами, к увеличению фототока по сравнению со случаем р-n-перехода на кремнии без наночастиц.

Вклад первого механизма - концентрирование ЭМП в увеличение фототока - определялся путем численных расчетов. На фиг.3 приведены спектры поглощенного и переизлученного электромагнитного излучения наночастицами 6 в конструкции преобразователя, приведенного на фиг.1. Ширина и максимум (650 нм) спектра поглощения и переизлучения монослоя металлических наночастиц 6 оказываются близкими к соответствующим величинам спектра падающего излучения, моделирующего солнечный спектр (фиг.4, 6) при поверхностной плотности наночастиц 6, равной 0,35, которая достаточна для эффективного диполь-дипольного взаимодействия наночастиц 6 друг с другом. Последнее взаимодействие приводит к неоднородному уширению спектра поглощения и переизлучения монослоя металлических наночастиц 6, как показано на фиг.5.

Расчет вклада проводился с использованием известных выражений, определяющих поляризуемость наночастицы над поверхностью в зависимости от формы наночастицы, металла, из которого она состоит, материала окружения и расстояния до поверхности, а также с использованием известных выражений для дипольного излучения наночастиц и их диполь-дипольного взаимодействия, которые приводятся, например, в [10, 11] или получаются непосредственным обобщением соотношений из [10, 11]. Рассматривался монослой из N=100 наночастиц, дальнейшее увеличение числа частиц не приводило к существенному изменению результатов расчетов, в том числе интенсивности поля, переизлучаемого частицами. Следует отметить, что согласно известным соотношениям для поляризуемости металлических наночастиц [10] максимум спектра поглощения и переизлучения монослоя наночастиц может быть помещен вблизи максимума заданного спектра падающего излучения также путем подбора формы наночастиц. Например, максимум спектра поглощения и переизлучения монослоя наночастиц сдвигается в красную сторону, если вместо сферических наночастиц взять эллипсоидальные наночастицы (из того же материала) с большими полуосями, лежащими в плоскости монослоя наночастиц.

Согласно фиг.2, концентрация широкополосного ЭМП наночастицами приводит примерно к 1,5-кратному увеличению плотности генерируемого фототока на глубине 150 нм, что, по оценкам, составляет эффективную глубину р-n-перехода кремниевых фотоэлементов, использованных в эксперименте. Дополнительное увеличение плотности фототока, приводящее в итоге к его возрастанию на эксперименте с 0,2 мА до 0,55 мА, возникает из-за второго механизма.

Второй механизм увеличения генерации фототока в предлагаемом преобразователе связан с эффективной генерацией фототока самими металлическими наночастицами 6 при их взаимодействии с окружением во втором каскаде фотоэлемента (в удерживающем слое 4), которая оказывается возможной, в том числе, из-за сильных локальных электростатических полей, существующих вблизи наночастиц 6. Существенно, что генерация фототока с участием наночастиц 6 происходит вблизи их поверхностей, т.е. именно там, где наночастицы наиболее эффективно концентрируют ЭМП.

Приповерхностный объем фоточувствительного слоя 3 (например, р-n-перехода в кремниевом фотоэлементе), где происходит генерация фототока, оказывается заряженным из-за разделения свободных носителей внутренними электростатическими полями слоя 3. Для определенности будем полагать, что свободные носители слоя 3 разделены так, как показано на фиг.6, на которой дополнительными позициями обозначены: 1a, 1b - пространственно разделенные заряды светочувствительного слоя; 2а - положительный заряд наночастицы; -е и +е - фотоиндуцированные носители, соответственно, электроны и дырки, а пунктирный круг обозначает область концентрации электромагнитного поля наночастицей 6.

Металлические наночастицы 6 слоя 4 предпочтительно помещаются на малом расстоянии (в несколько нм) от заряженного объема слоя 3, поэтому электроны проводимости могут туннелировать через тонкий слой 4 диэлектрика (в описываемом примере - ПВП), отделяющий частицу 6 от слоя 3. При поглощении фотона энергии h в слое 3 или в наночастице 6 возникают электронно-дырочные пары -е +е, электроны и дырки которых разделяются внутренними полями, качественное распределение которых Е(х) (сила, действующая на единичный положительный заряд) показано на фиг.6 слева. Та часть Е(х), которая относится к слою 4, соответствует среднему полю в слое 4, эффективная толщина которого принята равной диаметру наночастиц 6 плюс расстояние от верхней границы слоя 3 до поверхности наночастицы 6. За пределами границ областей с встроенными электростатическими полями фотоиндуцированные носители диффундируют к аноду и катоду - контактам 1 и 5 на фиг.1.

Локальные поля вблизи наночастиц 6 отличаются от показанного на фиг.6. В частности, электростатические поля внутри наночастиц 6 близки к 0, а вблизи наночастиц 6 существенно превосходят среднее поле Е(х), указанное на фиг.6. Поскольку локальное электростатическое поле вблизи наночастицы 6 индуцируется зарядами фоточувствительного слоя 3, сконцентрированными вблизи наночастицы, это поле оказывается порядка или больше внутреннего поля в слое 3 (например, на р-n-переходе), которое весьма велико. Сильные локальные поля вблизи наночастиц способствуют эффективному разделению фотоиндуцированных носителей, подобно тому, как это происходит в области барьера Шоттки [12], повышая тем самым эффективность генерации фототока. Например, если фоточувствительным слоем 3 является полупроводник, то наночастица 6 вблизи поверхности полупроводника образует переход "полупроводник-металл" (ПМ) или "полупроводник-диэлектрик-металл" (ПДМ) где, как и в р-n-переходах, возникают сильные внутренние электростатические поля двойного слоя зарядов [13]. Эти поля эффективно разделяют носители, фотоиндуцированные при поглощении ЭМП наночастицами 6. Если фоточувствительный слой 3 - полупроводник и несущественен вклад электронных состояний на поверхности соприкосновения слоев 3 и 4, то работа выхода для электронов наночастицы должна быть меньше (больше), чем у прилегающей области полупроводника, если эта область n (р) типа, как это имеет место в случае экспериментов с серебряными наночастицами на кремнии (см. выше).

Работа выхода электрона из металлической наночастицы 6, находящейся в сильном электростатическом поле, существенно понижается по сравнению с обычной величиной работы выхода электрона (дырки) из соответствующего металла [12]. Это облегчает выход фотоиндуцированных носителей за пределы наночастицы и приводит к дополнительному увеличению генерации фототока при поглощении ЭМП наночастицами 6. Размер наночастицы 6 предпочтительно подбирается меньше, чем длина свободного пробега электронов в металле (несколько сотен нм), вследствие чего для фотоиндуцированных носителей повышается вероятность достичь поверхности наночастицы 6, выйти за ее пределы и дать вклад в фототек.

Таким образом, генерация фототока в предлагаемом фотоэлементе осуществляется не только в области фоточувствительного слоя 3, как в известных фотоэлементах, но и внутри наночастиц 6 и вблизи их поверхностей, т.е. именно там, где наночастицы особенно эффективно концентрируют электромагнитное поле, в добавление к области концентрации ЭМП (ограниченной пунктирным кругом на фиг.6) в фоточувствительном слое 3. Совокупность областей генерации фототока, локализованных вблизи наночастиц (как, например, на переходах ПМ или ПДМ, если светочувствительный слой 3 - полупроводник), образует второй "гетерогенный" каскад генерации фототока в дополнение к каскаду, образованному фоточувствительным слоем 3. В рассмотренном примере (в эксперименте с серебряными наночастицами на кремнии) одновременное действие двух описанных механизмов привело к увеличению КПД преобразователя более чем в 2 раза.

Еще одним преимуществом заявленного преобразователя наряду с двухкаскадной генерацией фототока является возможность его создания путем модернизации выпускаемых промышленностью стандартных твердотельных фотоэлементов. В частности, на лицевую или тыльную поверхность кремниевого фотоэлемента может быть в виде пленки нанесен диэлектрический удерживающий слой, содержащий металлические наночастицы. Наночастицы могут также располагаться на поверхности диэлектрического слоя на воздухе или на поверхности одного диэлектрического удерживающего слоя, но закрываться сверху слоем другого или того же самого диэлектрика. Не исключается возможность использования полупроводников для формирования удерживающего слоя.

Выбор стороны преобразователя для расположения слоя наночастиц зависит в основном от толщины фоточувствительного слоя. При сравнительно толстом фоточувствительном слое для обеспечения существенного вклада слоя наночастиц в генерацию фототока предпочтительно размещать их с лицевой стороны, поскольку значительное поглощение ЭМП в фоточувствительном слое и слабое проникновение излучения к тыльной стороне такого преобразователя делают нецелесообразным размещение слоя наночастиц с тыльной стороны преобразователя. Напротив, в случае сравнительно тонкого фоточувствительного слоя размещение слоя наночастиц с тыльной стороны вполне оправдано.

Еще одним предпочтительным случаем осуществления изобретения может быть размещение слоя наночастиц между двумя фоточувствительными слоями. Очевидно, этот вариант предпочтительно использовать при изготовлении новых преобразователей, а не для модернизации существующих.

В частности, стандартная полупроводниковая пластина, например р-типа, может быть легирована с одной стороны примесью n-типа на заданную глубину, например 100-250 нм, методом диффузии ионов из газовой фазы. На другую сторону пластины р-типа наносится сплошной металлический контакт, например методом вакуумного напыления.

Далее для получения нового преобразователя на сторону пластины, легированную примесью n-типа, могут наноситься полосковые металлические контакты и затем - мономолекулярный слой полимера, на который наносятся металлические наночастицы, например, осаждением из гидро- или органозоля. Полосковые металлические контакты могут наноситься также не на кремниевую пластину, а на слой полимера с наночастицами.

Для получения многокаскадного преобразователя вместо нанесения металлических контактов поверх слоя наночастиц может быть напылен слой полупроводника р типа, легируемый далее примесями n-типа с последующим нанесением токопроводящих контактов на легированную поверхность. Таким образом, слой наночастиц оказывается размещенным между двумя фоточувствительными слоями. Очевидно, преобразователь может содержать также три или более фоточувствительных слоев, и между двумя соседними фоточувствительными слоями при необходимости может быть помещен удерживающий слой с наночастицами.

Кроме того, в соответствии с известным уровнем техники [14] для усиления поля внутри р-n-перехода за счет возбуждения ЛПР наночастиц сами фоточувствительные слои могут также содержать металлические наночастицы.

В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры не охватывают всех возможных случаев осуществления изобретения, предназначены исключительно для его лучшего понимания и демонстрации достижения технического результата и не могут рассматриваться в качестве ограничивающих объем испрашиваемой правовой охраны. Специалисту понятно, что возможны также и иные частные случаи реализации заявленного изобретения - в частности, в зависимости от требуемого коэффициента преломления удерживающего слоя 4 возможно его выполнение из полупроводникового материала; преобразователь может быть снабжен несколькими удерживающими слоями с наночастицами, которые могут располагаться как с лицевой стороны, так и с тыльной, а возможно также (в дополнение к лицевому и тыльному слоям) - и между светочувствительными слоями; с тыльной стороны преобразователя удерживающий слой может наноситься как поверх электрода 1, так и непосредственно поверх подложки 2 с последующим нанесением электрода 1 поверх удерживающего слоя. Возможны и прочие частные случаи осуществления изобретения, прямо не указанные в вышеописанных неограничительных примерах, но тем не менее не выходящие за рамки испрашиваемого объема правовой охраны, определяемого исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Источники информации

1. SU 1801232 A3, ГУБА и др., 07.03.1993.

2. SU 1806424 A3, ГУБА и др., 30.03.1993.

3. WO 2006/034561 A1, GAPONENKO et al., H01L 31/02, опубл. 06.04.2006.

4. M.Brongersma et. al. "Nanostructured metal-organic composite solar cells" Stanford University, GCEP project Sept. 2005 - Aug. 2008.

5. M.Brongersma et. al. "Nanostructured metal-organic composite solar cells" Stanford University, GCEP Technical Report 2006.

6. US 2006032529 A1, RAND et al., H01L 31/00, опубл. 16.02.2006.

7. A.Yakimov and S.R.Forrest, Appl. Phys. Lett. v.80, p1667, 2002.

8. B.Maennigetal., Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process, v.79, p.1, 2004.

9. B.P.Rand, P.Peumans, S.R.Forrest Long-range absorption enhancement in organic tandem thin-film solar cells containing silver nanoclusters JOURNAL OF APPLIED PHYSICS v.96, 7519, 2004.

10. Ландау Л.Д.и Лифшиц Е.М. "Электродинамика сплошных сред". - М.: Физматлит 2001, стр.66.

11. Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. "Теория поля". - М.: Наука, 1988, стр.253.

12. Зи С. "Физика полупроводниковых приборов", кн. 2. - М.: Мир, 1984, стр.403.

13. Бьюб Р. "Фотопроводимость твердых тел". М., изд-во Иностранной литературы, 1962, стр.144.

14. RU 2217845 С1, Займидорога О.А. и др., Н01L 31/04, опубл. 27.11.2003.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Преобразователь электромагнитного излучения, содержащий по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды, отличающийся тем, что он также содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрацию падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанные металлические наночастицы расположены с лицевой, воспринимающей падающее электромагнитное излучение стороны преобразователя.

3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение поверхность.

4. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены внутри удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение поверхность.

5. Преобразователь по п.3 или 4, отличающийся тем, что указанный удерживающий слой представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.

6. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение поверхность, и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя.

7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой диэлектрика.

8. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой полупроводника.

9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены с тыльной стороны преобразователя, противоположной стороне, воспринимающей падающее электромагнитное излучение.

10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя.

11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены внутри удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя.

12. Преобразователь по п.10 или 11, отличающийся тем, что указанный удерживающий слой представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.

13. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя, и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя.

14. Преобразователь по п.13, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.

15. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что хотя бы между двумя фоточувствительными слоями имеется слой, удерживающий указанные металлические наночастицы.

16. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что к токосъемным электродам приложено напряжение от внешнего источника.

17. Преобразователь по любому из пп.4, 6-8, 11, 13, 14, отличающийся тем, что концентрация наночастиц внутри удерживающих слоев равна (1÷75)/100 объемных долей.

18. Преобразователь по п.3 или 10, отличающийся тем, что поверхностная плотность наночастиц на поверхности удерживающего слоя равна (1÷75)/100 объемных долей.

19. Преобразователь по любому из пп.1-4, 6-11, 13-16, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.

20. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.

21. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.

22. Преобразователь по п.17, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.

23. Преобразователь по п.18, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru