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.

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(λ) преобразования энергии падающего излучения в электрическую энергию от длины волны падающего излучения λ для предлагаемого фотоэлемента с различной объемной концентрацией металлических наночастиц: (кривая 1 - 1•10^-2, кривая 2 - 2•10^-2, кривая 3 - 3•10^-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 4•10^-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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2