EA028829B1 - Фотоэлектрический элемент для использования в энергетике - Google Patents

Фотоэлектрический элемент для использования в энергетике Download PDF

Info

Publication number
EA028829B1
EA028829B1 EA201590322A EA201590322A EA028829B1 EA 028829 B1 EA028829 B1 EA 028829B1 EA 201590322 A EA201590322 A EA 201590322A EA 201590322 A EA201590322 A EA 201590322A EA 028829 B1 EA028829 B1 EA 028829B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
electromagnetic wave
region
attenuation
resonator
dielectric
Prior art date
Application number
EA201590322A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201590322A1 (ru
Inventor
Павел Фиала
Original Assignee
Высоке Учени Техницке В Брне
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Высоке Учени Техницке В Брне filed Critical Высоке Учени Техницке В Брне
Publication of EA201590322A1 publication Critical patent/EA201590322A1/ru
Publication of EA028829B1 publication Critical patent/EA028829B1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/248—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set provided with an AC/DC converting device, e.g. rectennas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Фотоэлектрический элемент, содержащий слоистую диэлектрическую структуру, образованную областью (5) без затухания электромагнитной волны, верхняя плоскость которой образует плоскость (3) падения, и по меньшей мере одну область (20) с затуханием электромагнитной волны, причем указанные области (5, 20) соединены так, что указанная по меньшей мере одна область (20) с затуханием электромагнитной волны расположена под областью (5) без затухания электромагнитной волны, каждая последующая в направлении распространения электромагнитной волны область отделена от предшествующей виртуальной границей (6) изменения свойств материала. Слоистая диэлектрическая структура без затухания электромагнитной волны является проницаемой для падающей электромагнитной волны, амплитуда электромагнитной волны, проходящей в область (5) без затухания электромагнитной волны, уменьшается не более чем на 10%, а каждая область имеет свою резонансную частоту. По меньшей мере один составной резонатор (4) окружен диэлектриком (10) и расположен в диэлектрической структуре. Область (5) без затухания электромагнитной волны соединена по меньшей мере с одной другой областью (20) с затуханием электромагнитной волны с другой резонансной частотой, а система заканчивается либо в свободном пространстве, либо фотоэлектрическим элементом, выполненным с возможностью поглощения всего количества остаточной энергии, обеспечиваемой падающей электромагнитной волной.

Description

Изобретение относится к системе фотоэлектрических элементов, содержащей элементы, которые включают резонатор, характеризующиеся высоким уровнем эффективности преобразования световой энергии в электрическую энергию. Система содержит структуру, расположенную между двумя электродами с возможностью использования элемента для высокоэффективного преобразования световой энергии в электрическую энергию.
Уровень техники
Как правило, в современных фотоэлектрических элементах использованы принципы преобразования электромагнитного излучения солнца или волн (широкополосного электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 100 до 10000 нм), имеющие более чем 50-летнюю историю. Фотоэлектрические элементы состоят из двух полупроводниковых слоев (как правило, выполненных на основе кремния), расположенных между двумя металлическими электродами. Один из слоев (из материала η-типа) содержит большое количество отрицательно заряженных электронов, тогда как другой слой (из материала ртипа) имеет большое количество "дырок", представляющих собой полости, легко заполняемые электронами. Устройства, преобразующие электромагнитные волны в электромагнитные волны более низкой частоты или постоянную составляющую тока, известны как трансвертеры/преобразователи. Для этого могут быть использованы полупроводниковые структуры с различными концепциями и типами архитектур, в которых учтены только экспериментальные результаты эффекта преобразования электромагнитных волн.
Антенны, детекторы или другие современные устройства не могут быть введены в резонанс; используемые полупроводниковые структуры сталкиваются со значительными трудностями, вызванными появлением стоячих электромагнитных волн, и для повышения эффективности преобразования энергии приходится применять дополнительные меры.
В аналогичных решениях используется теория антенн или теория преобразования бегущей электромагнитной волны в электромагнитное излучение другого вида (в частности, бегущую электромагнитную волну с различной поляризацией или стоячую электромагнитную волну) с его последующей обработкой. Падающая электромагнитная волна и ее отражение, а также широкоспектральный характер солнечного излучения могут привести к возникновению определенных проблем. В целом, создание антенны, способной обеспечить заданные характеристики в широком спектре, оказалось непростым делом в течение нескольких десятилетий.
Для использования падающего солнечного излучения была предложена однослойная система настраиваемых структур, выполненная на основе резонансного полупроводника.
В заявке на патент Чехии РУ 2011-42 приведено описание фотоэлектрического элемента с резонатором, расположенного на полупроводниковой структуре. Структура образована областью без электромагнитного демпфирования, верхняя плоскость которой является плоскостью падения, и областью с электромагнитным демпфированием; ограниченными виртуальными (условными) границами изменения свойств материала, причем по меньшей мере один составной резонатор окружен диэлектриком и сформирован на полупроводниковой структуре. Область без электромагнитного демпфирования - это такая область, в которой возникает минимальное демпфирование электромагнитных волн, и, с технической точки зрения, в этой области происходит максимум 10% уменьшение амплитуды падающих электромагнитных волн в заданном объеме вещества. Область с электромагнитным демпфированием граничит со сравнительным электродом. Недостаток решения состоит в том, что падение электромагнитной волны, обладающей высокой плотностью мощности в спектрах инфракрасного излучения А, В, С и Ό, может привести к перегреву полупроводящей подложки. Эта проблема в дальнейшем приводит к сокращению срока службы или даже полному разрушению элемента.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в создании новой конструкции фотоэлектрического элемента с резонатором, расположенного на диэлектрической структуре. Создаваемый на основе применяемой технологии элемент может резонировать и создавать составляющие электрических и магнитных полей с большой величиной таким образом, что эти составляющие пригодны для использования и удобны для обработки широко известным способом с использованием классических электронных элементов.
Для устранения указанных выше недостатков используют расположенный на структуре фотоэлектрический элемент с резонатором, содержащий слоистую диэлектрическую структуру, образованную областью без затухания электромагнитной волны, верхняя плоскость которой является плоскостью падения. Слоистая диэлектрическая структура, которая является проницаемой для электромагнитной волны, определена границами изменения свойств материала, а по меньшей мере один составной резонатор размещен в области без затухания электромагнитной волны, причем первая часть резонатора размещена в плоскости падения, а соответствующая вторая часть размещена в диэлектрике. Область без затухания электромагнитной волны соединена по меньшей мере с одной областью, имеющей другую резонансную частоту. Эта область определена границами изменения свойств материала, а по меньшей мере один составной резонатор сформирован в области, имеющей другую резонансную частоту. Первая часть данного резонатора сформирована в плоскости падения, а его вторая часть расположена в диэлектрике, причем
- 1 028829
крайняя структура, имеющая другую резонансную частоту, соединена с системой фотоэлектрических элементов в направлении электромагнитного распространения волны.
Как правило, составляющие электрического и магнитного полей с большой величиной могут быть получены в случае, когда составной резонатор состоит из двух частей, первая часть (2Ό) из которых образована преобразующим элементом, сформированным на плоскости падения и состоящим из двух электродов, выполненных в виде сдвоенных проводников, а вторая часть (3Ό), образована диэлектриком и отражателем, размещенными внутри области без электромагнитного демпфирования и внутри области, выполненной с возможностью прохождения через нее электромагнитной волны без потерь, причем на диэлектрике дополнительно размещен преобразующий элемент, обеспечивающий возможность расположения отражателя под прямым углом.
В изобретении использован спектр солнечного излучения с высокой плотностью потока энергии электромагнитных волн (Вт/м2). В объеме предложенного изобретения фотоэлектрический элемент, выполненный в виде составного резонатора, сформированного на слоистой диэлектрической структуре, настраивается в заданной области спектра на частоту падающей электромагнитной волны. Элемент настраивается таким образом, что он ориентирован на области с высокими значениями спектральной плотности энергии (например, области инфракрасного излучения А, В, С, Ό); при этом другой составной резонатор настраивается на другую частоту заданной области спектра. Кроме того, данный резонатор расположен за предыдущим составным резонатором в направлении распространения падающей электромагнитной волны. Такое присоединение других резонаторов, сформированных в слоях или областях (при том, что теоретически может быть присоединено бесконечное число резонаторов, реальное количество таких элементов сохраняется в пределах нескольких сотен), позволяет создать систему составных резонаторов, зависящую от географических и климатических условий; таким образом, падающая электромагнитная волна может быть использована для аккумулирования максимального количества энергии с возможностью последующего преобразования в электрическую энергию. По сравнению с традиционно используемыми солнечными и фотоэлектрическими элементами технология производства и конструкция рассматриваемых здесь резонаторов, обеспечивают более длительный срок службы и допускают возможность больших температурных различий. Концепция, реализуемая в объеме рассматриваемого изобретения, характеризуется высокой эффективностью, достигаемой в процессе преобразования световой/тепловой энергии в электрическую энергию.
Основное преимущество нового фотоэлектрического элемента состоит в способе его формирования, а именно в слоистой диэлектрической структуре. Данная структура образована отдельными областями диэлектрического материала, причем каждая область, обладающая диэлектрическими свойствами, содержит составной резонатор. Созданная таким образом слоистая диэлектрическая структура обеспечивает формирование минимальной амплитуды и фазы отраженной электромагнитной волны, распространяющейся в направлении падающей электромагнитной волны, излучаемой источником, например Солнцем. Фотоэлектрический элемент использует необходимую часть энергии, при этом нагрев существующей слоистой диэлектрической структуры отсутствует, вследствие эффектов, оказываемых на фотоэлектрический элемент, падающей либо падающей и отраженной в обратном направлении электромагнитной волной.
Составной резонатор выполнен с возможностью распространения электромагнитной волны, проходящей через диэлектрическую структуру, за пределы составного резонатора, к другим областям с составными резонаторами, а в конце диэлектрической структуры в свободное пространство или систему фотоэлектрических элементов, выполненную с возможностью аккумулирования оставшейся энергии в виде остаточного тепла, электромагнитной волны, или света. Таким образом, резонатор ведет себя как идеальная антенна с согласованным полным сопротивлением или идеальный преобразователь энергии в предложенном широком спектре с произвольно меняющейся частотой.
Слоистая диэлектрическая структура содержит несколько элементов, которые будут рассмотрены в приведенном ниже тексте описания. Во-первых, необходимо определить область без затухания электромагнитной волны, ограниченную плоскостями, в которых имеет место изменение свойств материала, и выполненную с возможностью аккумулирования части энергии падающей электромагнитной волны на ее границе. Остальная часть энергии покинет эту область с минимальными потерями. По меньшей мере один составной резонатор сформирован на плоскости падения, идентичной в этом случае плоскости, в которой имеет место изменение свойств материала. Эти элементы обеспечивают возможность оптимальной обработки электромагнитных волн, таким образом, что отражение электромагнитных волн в направлении составного резонатора минимально. За областью без затухания электромагнитной волны, заканчивающейся вблизи плоскости, в которой имеет место изменение свойств материала, следует область с другой резонансной частотой составного резонатора, сформированная в направлении распространения электромагнитной волны. Область содержит по меньшей мере один составной резонатор, настроенный на частоту, отличную от частоты первого резонатора, сформированного в области без затухания электромагнитной волны. Структура сформирована внутри системы фотоэлектрических элементов, оканчивающейся крайним фотоэлектрическим элементом, а электромагнитная волна покидает систему в направлении свободного пространства. Как вариант, крайняя область фотоэлектрического элемента может
- 2 028829
включать в себя классический элемент системы фотоэлектрических элементов, выполненный с возможностью преобразования или использования иным образом оставшейся части энергии электромагнитной волны посредством ее преобразования в полезную энергию, которую можно использовать как источник тепла, света или электрической энергии.
Важно отметить, что разработанный фотоэлектрический элемент с резонатором, расположенным на диэлектрической структуре, не использует материал, обеспечивающий возможность образования электрического заряда, а использует характеристики структуры для создания соответствующих условий падения электромагнитной волны и ее преобразования в электромагнитное поле стоячей волны.
Сочетание избирательно настраиваемых областей в системе обеспечивает максимально эффективное использование системой энергии падающей электромагнитной волны согласно ее представлению в частотном спектре (распределению спектральной плотности мощности) волны. При этом обеспечивается возможность - в сравнении с теми случаями, когда резонаторы или их периодическая группа не модифицированы в соответствии с вышесказанным - получения и использования заданного частотного спектра падающей электромагнитной волны, с помощью значительно меньшего количества вариантов настраиваемых структур внутри комплекса, состоящего из созданной структуры и системы.
Решение, описание которого приведено на основании представленного изобретения, обеспечивает возможность адаптации отдельных областей фотоэлектрического элемента, расположенных на результирующей структуре, к параметрам плотности потока падающего электромагнитного излучения, характерным для конкретного места использования элементов. Этот параметр позволяет использовать (аккумулировать) максимальную энергию падающего электромагнитного излучения и получать прибыль от превращения излучения в энергию необходимого вида, предполагающего ее дальнейшее использование (например, как источника электроэнергии или генератора). Разработанные фотоэлектрические элементы встроены в панели, образующие при соединении фотоэлектрические (солнечные) поля.
Основное преимущество представленного решения состоит в том, что конструкция фотоэлектрического элемента обеспечивает возможность создания различных (оптимальных) вариантов системы фотоэлектрических элементов в зависимости от климатических условий или солнечной активности. В то время как одна структура фотоэлектрических элементов, содержащих несколько областей с составными резонаторами, может быть настроена на одну резонансную частоту, соответствующую заданной спектральной плотности энергии (например, посредством фольги), другая структура фотоэлектрических элементов может быть настроена на другую выбранную частоту спектральной плотности энергии. Структуры расположены одна за другой в направлении распространения электромагнитной волны от источника. Таким образом, для данной географической области, солнечной активности или источника электромагнитной волны может быть создана система, упрощающая максимальное использование электромагнитной волны в виде падающей энергии.
Созданные таким образом фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены или смонтированы на заводе либо собраны из поставляемого комплекта непосредственно в предложенном месте.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения будет раскрыта с помощью чертежей, на которых показано:
на фиг. 1 принципиальная схема фотоэлектрического элемента с составным резонатором и его расположение в системе;
на фиг. 2 - пример осуществления фотоэлектрического элемента с системой составных резонаторов и соединительными элементами, расположенного на полупроводниковой структуре, а также показано устройство другого фотоэлектрического элемента, настраиваемого на другую частоту;
на фиг. 3 - схематическое изображение составного резонатора, сформированного в диэлектрике; на фиг. 4 - конфигурация составного резонатора и отражателя;
на фиг. 5 - вид со стороны падения электромагнитной волны на первая резонатор; частичное пространственное расположение составных резонатора в диэлектрике, а также положение отражателя внутри диэлектрика фотоэлектрического элемента;
на фиг. 6а - аксонометрическое изображение резонатора (образуемого отражателем), поверх которого расположены диэлектрик и преобразующий элемент;
на фиг. 6Ь - вид резонатора сбоку;
на фиг. 7а - соединение преобразующего элемента с нелинейным элементом в прямом направлении (направлении вперед);
на фиг. 7Ь - соединение преобразующего элемента с нелинейным элементом в обратном направлении;
на фиг. 8 - соединение резонансного контура (контур состоит из фотоэлектрического элемента и сопутствующей электроники).
- 3 028829
Осуществление изобретения
Принцип создания фотоэлектрического элемента с резонатором, расположенным на полупроводниковой структуре, будет более понятен, помимо прочего, из рассмотрения приведенных ниже примеров.
На фиг. 1 показан основной вариант выполнения фотоэлектрического элемента с составным резонатором, расположенным на диэлектрике. Фотоэлектрический элемент такого вида содержит слоистую диэлектрическую структуру. Такая структура сформирована областью 5 без затухания электромагнитной волны и ограничена границами 6 изменения свойств материалов и областью 20, имеющей другу резонансную частоту. Кроме того, область 5 без затухания электромагнитной волны содержит по меньшей мере один составной резонатор 4. В месте расположения плоскости падения 3 на поверхности области сформирована первая часть резонатора 4; а вторая часть резонатора занимает часть области 5 без затухания электромагнитной волны. В этом случае вторая часть ограничена границей 6 изменения свойств материала. За областью 5 без затухания электромагнитной волны, ограниченной плоскостью падения 3 и границей 6 изменения свойств материала, в направлении распространения электромагнитной волны следует другая область 20 с затуханием электромагнитной волны, с другой резонансной частотой составного резонатора. За крайней областью 20 с затуханием электромагнитной волны, с другой резонансной частотой составного резонатора, область 11 соединена со свободным пространством или системой фотоэлектрических элементов.
Этот вариант составного резонатора 4 состоит из преобразующего элемента 8 и отражателя 7, между которыми расположен диэлектрик 10 (например, изоляционный материал), при этом преобразующий элемент 8 образован парой электродов, имеющих форму сдвоенных проводников, окруженных диэлектриком 10. Кроме того, преобразующий элемент 8 размещен на диэлектрике 10, за счет чего отражатель 7 расположен под прямым углом. На фиг. 5 показано расположение диэлектрика 10 в слоистой структуре. На фиг. 7а и 7Ь показан резонатор 4 вырабатывающий электрический ток или напряжение, проводимый посредством нелинейного элемента 15 к соединительному элементу 16; см. фиг. 7а и 7Ь, где показаны оба типа поляризации нелинейного элемента 15.
На фиг. 8 показана другая электрическая схема фотоэлектрического элемента. Указанные варианты преимущественно представляют собой однонаправленный или двунаправленный выпрямитель, формирователь или фильтр сигнала. Такие виды схем широко известны. Источник 19 переменного тока или напряжения, обусловленных индукцией электромагнитной волны, имеет параллельное соединение с первой емкостью 18 и индуктивностью 14, которыми в данной схеме могут служить конденсатор и катушка индуктивности. Таким образом, с помощью этих элементов может быть создан настраиваемый знакопеременный контур, настроенный на характеристики и параметры падающей электромагнитной волны и резонирующий. Нелинейный элемент 15 выполнен с возможностью формирования в резонансном контуре сигнала, который далее фильтруют (выпрямляют), придавая ему пригодную для дальнейшего использования форму. На следующем этапе может быть подключена вторая емкость 17, образованная конденсатором. Также, в схеме показаны соединительные элементы 16. На эти элементы может быть выведено электрическое напряжение +и, -И. При подключении к соединительным элементам 16 (например, клеммам) выбранной электрической нагрузки 13 в виде полного сопротивления Ζ возможны изменения в резонансном контуре, приводящие к изменению характеристик резонатора до таких пределов, при которых он не может обеспечивать соответствующий вид резонанса. Поэтому перед электрической нагрузкой 13 в схему может быть введено устройство 12. Подключение к выходу этого устройства любой нагрузки в виде полного сопротивления Ζ может привести к возникновению ситуации, при которой нагрузка резонатора с нелинейным элементом 15 и второго конденсатора 17 имеет одно и то же значение Ζί, что не вызовет изменения установленного режима резонатора.
Принцип действия (или работа) фотоэлектрического элемента с составным резонатором 4, расположенного на слоистой диэлектрической структуре, состоит в следующем. Электромагнитная волна 1 в диапазоне длин волн от 100 до 100000 нм сталкивается с плоскостью падения 3 области 5 без затухания электромагнитной волны в точке падения волны 2. Как показано на фиг. 1 и 2, составные резонаторы 4 периодически повторяются в отдельных областях 20, имеющих другие резонансные частоты. По меньшей мере один составной резонатор 4 сформирован в плоскости падения 3 области 5. Данный резонатор может работать (выполнять свои функции) самостоятельно; с другой стороны, резонаторы могут быть взаимосвязаны с возможностью создания поля периодически повторяющихся фотоэлектрических элементов. По-видимому, предпочтительное решение состоит в последовательном или параллельном соединении таких элементов в плоскости падения 3 с формированием по меньшей мере двух составных резонаторов 4 на одном фотоэлектрическом элементе. Эти резонаторы соединены между собой посредством соединительного элемента 9. Первая область 5 без затухания электромагнитной волны в направлении падения электромагнитной волны настроена на резонансную частоту ί из области спектра падающих электромагнитных волн; за этой областью, в направлении бегущей электромагнитной волны, имеется другая область 20, имеющая другую резонансную частоту ί2. Таким образом, может быть образовано Ν, вплоть до сотен или тысяч, других областей 20 с другими резонансными частотами, а, следовательно, и создана система; кроме того, существует мнение, что резонансные частоты от ί до ίη не должны повторяться в слоях, такой метод обеспечивает возможность максимального использования энергии падающей
- 4 028829
электромагнитной волны.
Столкновение электромагнитной волны 1 с плоскостью падения 3 происходит в точке падения волны 2. При этом имеет место разложение электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны 1 и достижение максимальных напряженностей электрического и магнитного полей. Этот процесс может быть реализован благодаря разработанной форме отражателя 7, который может быть тонкослойным, кубическим, пирамидальным, конусным, тороидальным; сферическим и т.д. Поверхность отражателя 7 может быть образована слоем диэлектрического материала, металла либо их комбинацией, имеющей различную форму (элементы являются частью составного резонатора 4). Для арифметического сложения (наложения) указанных выше максимумов напряженностей, в схеме, выполненной на основе двух периодически повторяющихся составных резонаторов 4, соединение резонаторов осуществляют посредством соединительного элемента 9 (фиг. 2). На этой фигуре показан пример предложенного фотоэлектрического элемента с составным резонатором 4, расположенного на диэлектрической структуре 5, в котором два составных резонатора 4 сформированы в месте нахождения плоскости падения 3. Эти резонаторы расположены периодически повторяющимися на других диэлектрических структурах 5; кроме того, составные резонаторы 4 соединены между собой посредством соединительных элементов 9.
На фиг. 3 показан пример осуществления фотоэлектрического элемента с составным резонатором 4, расположенного на диэлектрике. Данный вариант составного резонатора 4 сформирован на слоистой диэлектрической структуре 5. Область 5 без затухания электромагнитной волны ограничена границами 6 изменения свойств материала. На фиг. 4 показано взаимное расположение (конфигурация) отдельных частей фотоэлектрического элемента. Составной резонатор 4 содержит преобразующий элемент 8 (состоящий из двух электродов, выполненных в виде сдвоенных проводников), отражатель 7 и диэлектрик 10. Кроме того, составной резонатор 4 встроен в слоистую диэлектрическую структуру 5; а его геометрия разработана в зависимости от длины падающей электромагнитной волны, в частности, таким образом, что толщина диэлектрической структуры 5 минимально составляет % длины волны самой низкой частоты падающего электромагнитного излучения. Предложенная геометрия обеспечивает возможность получения результирующей резонансной кривой.
После падения на плоскость падения 3 электромагнитная волна проходит через диэлектрическую структуру. Как показано на фиг. 3 или 4, на поверхности структуры в месте расположения плоскости падения 3, сформирована первая часть резонатора 4, а его вторая часть занимает часть области 5 с минимальным электромагнитным демпфированием. Область 5 без затухания электромагнитной волны способствует установлению условий для максимальных значений электрической и магнитной составляющих в плоскости падения 3 электромагнитной волны. При этом слоистая диэлектрическая структура выполнена таким образом, что бегущая электромагнитная волна взаимодействует с ней и образует резонансную область с максимальным резонансом на плоскости падения 3. Область 5 без затухания электромагнитной волны содержит сравнительный электрод 21. Дальнейшее распространение электромагнитной волны происходит за область 5 без затухания электромагнитной волны с образованием отраженной волны малой амплитуды. Размеры области 5 без затухания электромагнитной волны выбраны, по меньшей мере, равными или большими четверти длины падающей электромагнитной волны в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика 1 (например, толщина обоих слоев из материала выбранного типа может составлять 10 мкм).
При достижении резонансного состояния по меньшей мере в одном фотоэлектрическом элементе внутри группы периодически повторяющихся элементов, расположенных друг за другом в определенном порядке в направлении падающей электромагнитной волны, имеет место многократное увеличение амплитуд первичной падающей электромагнитной волны; причем при заданной длине электромагнитной волны 1, падающей на плоскость падения 3 диэлектрической структуры 5, может быть получено электрическое напряжение, которое может далее регулироваться электронными схемами 12, управляющими работой и модой колебаний периодической/слоистой структуры, выполненной с возможностью аккумулирования энергии (использования энергии, "управления мощностью").
В качестве материала токопроводящих дорожек, сформированных в плоскости падения 3, на которой расположена первая часть резонатора 4, может быть использован высококачественный проводящий материал; тот же самый высококачественный проводящий материал также используется для преобразующего элемента 8 и в качестве материала соединительного элемента 9 и нелинейного элемента 15. Относительная диэлектрическая проницаемость проводящего материала зависит от относительной диэлектрической проницаемости области 5 без затухания электромагнитной волны. Область 5 без затухания электромагнитной волны сформирована посредством комбинирования диэлектрика 10 и проводящего и/или полупроводящего материала. Конструкция резонатора, его расположение и выбор материалов выполнены таким образом, что коэффициент отражения в области 5 без затухания электромагнитной волны составляет менее 0,5 в интервале <-1, 1>.
Предложенная диэлектрическая структура фотоэлектрического элемента выполнена с возможностью работы в резонансном состоянии, обеспечивающем возможность получения множественных (110000) значений амплитуды электрической составляющей падающей электромагнитной волны 1. Предложенная периодическая компоновка системы фотоэлектрических элементов упрощает работу в резо- 5 028829
нансном режиме при частотах £ в диапазоне 0,1-5000 ТГц спектра падающих электромагнитных волн.
Как правило, классическое решение с использованием антенн и стандартных резонансных контуров позволяет только установить соотношение между выборочными свойствами, следовательно, такое решение не предназначено для использования в указанном выше диапазоне частот падающей электромагнитной волны. За счет использования во всей фотогальванической системе/системе фотоэлектрических элементов большого числа настраиваемых элементов, способ, предложенный в настоящем документе, обеспечивает возможность преобразования энергии в указанном выше заданном диапазоне частот. Это условие может быть преимущественно использовано для создания оптимальной слоистой диэлектрической структуры и приближения к идеальному состоянию, т.е. 100% коэффициенту использования или преобразованию электромагнитной волны 1, падающей на элементы, в выходную мощность генератора. Таким образом, предложенный способ может быть применен для обеспечения возможности постоянного использования созданной системы, отличающейся высокой эффективностью, большим сроком службы и независимостью от термических параметров используемых систем.
Необходимое условие использования основного элемента (как минимум) в качестве источника электроэнергии состоит в подключении внешней электронной схемы 12 таким образом, что при любой нагрузке (значениях полного сопротивления нагрузки Ζ 13 в интервале от 0 до ж Ом) на выходе схемы 12, на ее входе не будет выявлено никакого изменения электрической нагрузки Ζί. Таким образом, основной элемент или группа элементов будут пребывать в резонансном состоянии.
Промышленная применимость
Рассмотренный фотоэлектрический элемент может быть использован в качестве аккумулятора или генератора электроэнергии, а также в качестве датчика или нелинейного преобразователя. Преимущество предлагаемого решения состоит в его нечувствительности к более высоким температурам внутри области элемента, что делает его наиболее применимым в энергетике и в мощных установках.
Обозначение номеров позиций:
1 - электромагнитная волна;
2 - место падения волны;
3 - плоскость падения;
4 - основной резонатор;
5 - диэлектрическая структура;
6 - граница изменения свойств материала;
7 - отражатель основного резонатора;
8 - преобразующий элемент;
9 - соединительный элемент основных резонаторов;
10 - диэлектрик;
11 - свободный конец последней области настраиваемых структур или конец системы фотоэлектрических элементов;
12 - электрическая схема;
13 - нагрузка;
14 - индуктивность;
15 - нелинейный элемент;
16 - соединительный элемент;
17 - вторая емкость;
18 - первая емкость;
19 - источник тока или напряжения, вызванного индукцией от электромагнитной волны;
20 - диэлектрическая структура неодинаково настроенных резонаторов;
21 - сравнительный электрод.

Claims (3)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Фотоэлектрический элемент, содержащий
слоистую диэлектрическую структуру, образованную областью (5) без затухания электромагнитной волны, верхняя плоскость которой является плоскостью (3) падения электромагнитной волны, и по меньшей мере одной областью (20) с затуханием электромагнитной волны, причем указанные области (5, 20) соединены так, что указанная по меньшей мере одна область (20) с затуханием электромагнитной волны расположена под областью (5) без затухания электромагнитной волны, каждая последующая в направлении распространения электромагнитной волны область отделена от предшествующей виртуальной границей (6) изменения свойств материала, при этом слоистая диэлектрическая структура является проницаемой для электромагнитной волны, амплитуда электромагнитной волны, проходящей в область (5) без затухания электромагнитной волны, уменьшается не более чем на 10%, а каждая область имеет свою резонансную частоту, соответствующую заданному частотному спектру падающей электромагнитной волны,
по меньшей мере один составной резонатор (4), состоящий из двух частей, первая из которых обра- 6 028829
зована преобразующим элементом (8), расположенным на плоскости (3) падения и состоящим из пары электродов, лежащих в одной плоскости, при этом один из указанных электродов лежит во внутреннем пространстве другого, и электроды ориентированы внутренними пространствами друг к другу, а вторая часть резонатора образована отражателем (7) и окружающим его диэлектриком (10), которые расположены внутри области (5) без затухания электромагнитной волны, причем преобразующий элемент (8) размещен на диэлектрике (10), с которым соединен отражатель (7),
по меньшей мере один другой составной резонатор (4), состоящий из двух частей, первая из которых образована преобразующим элементом (8), расположенным на соответствующей виртуальной границе (6) изменения свойств материала и состоящим из пары электродов, лежащих в одной плоскости, при этом один из указанных электродов лежит во внутреннем пространстве другого, и электроды ориентированы внутренними пространствами друг к другу, а вторая часть резонатора образована отражателем (7) и окружающим его диэлектриком (10), которые расположены внутри области (20) с затуханием электромагнитной волны, имеющей свою резонансную частоту, причем преобразующий элемент (8) размещен на диэлектрике (10), с которым соединен отражатель (7), и
сравнительный электрод (21), граничащий с областью (20) с затуханием электромагнитной волны.
2. Фотоэлектрический элемент по п.1, в котором отражатель (7) расположен под прямым углом к плоскости (3) падения.
3. Фотоэлектрический элемент по п.1 или 2, в котором резонансная частота составного резонатора области (5) без затухания электромагнитной волны соответствует частотам составных резонаторов (4), расположенных в областях (20) с затуханием электромагнитной волны, имеющих другую резонансную частоту.
5
EA201590322A 2012-09-14 2012-10-22 Фотоэлектрический элемент для использования в энергетике EA028829B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2012636A CZ309259B6 (cs) 2012-09-14 2012-09-14 Fotovoltaický systém zahrnující elementární rezonátor pro využití v energetice
PCT/CZ2012/000105 WO2014040576A2 (en) 2012-09-14 2012-10-22 A solar element comprising resonator for application in energetics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201590322A1 EA201590322A1 (ru) 2015-08-31
EA028829B1 true EA028829B1 (ru) 2018-01-31

Family

ID=47429473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201590322A EA028829B1 (ru) 2012-09-14 2012-10-22 Фотоэлектрический элемент для использования в энергетике

Country Status (24)

Country Link
US (1) US20150228830A1 (ru)
EP (1) EP2896073A2 (ru)
JP (1) JP6208241B2 (ru)
KR (1) KR102023448B1 (ru)
CN (1) CN104813486B (ru)
AP (1) AP2015008297A0 (ru)
AU (2) AU2012389626A1 (ru)
BR (1) BR112015005486B1 (ru)
CL (1) CL2015000626A1 (ru)
CZ (1) CZ309259B6 (ru)
EA (1) EA028829B1 (ru)
HK (1) HK1208762A1 (ru)
IL (1) IL237587B (ru)
MA (1) MA37995B1 (ru)
MX (1) MX345456B (ru)
MY (1) MY172199A (ru)
PE (1) PE20150950A1 (ru)
PH (1) PH12015500560B1 (ru)
RS (1) RS56386B1 (ru)
SG (1) SG11201501630YA (ru)
TN (1) TN2015000088A1 (ru)
UA (1) UA117107C2 (ru)
WO (1) WO2014040576A2 (ru)
ZA (1) ZA201501668B (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10396449B2 (en) 2011-01-27 2019-08-27 Vysoke Uceni Technicke V Brne Photovoltaic element with an included resonator
CZ309259B6 (cs) * 2012-09-14 2022-06-29 Vysoké Učení Technické V Brně Fotovoltaický systém zahrnující elementární rezonátor pro využití v energetice
US10389020B2 (en) 2011-01-27 2019-08-20 Vysoke Uceni Technicke V Brne Solar element comprising resonator for application in energetics
CZ307127B6 (cs) 2016-07-25 2018-01-24 Vysoké Učení Technické V Brně Radiofrekvenční identifikátor laditelný dielektrickými vložkami
CN114244178B (zh) * 2021-12-10 2024-09-10 江苏城乡建设职业学院 用于半导体发光组件的异质结发电设备及计算机构建方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7688279B2 (en) * 2003-09-08 2010-03-30 Juridical Foundation Osaka Industrial Promotion Organization Fractal structure, super structure of fractal structures, method for manufacturing the same and applications
US20120080073A1 (en) * 2007-11-13 2012-04-05 Battelle Energy Alliance, Llc Devices, systems, and methods for harvesting energy and methods for forming such devices
WO2012100758A1 (en) * 2011-01-27 2012-08-02 Vysoké učeni technické v Brně A photovoltaic element with an included resonator

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100216545B1 (ko) * 1996-11-22 1999-08-16 정선종 고속 반도체 장치
US7486236B2 (en) * 2005-09-23 2009-02-03 University Of South Florida High-frequency feed structure antenna apparatus and method of use
JP2008166697A (ja) * 2006-12-08 2008-07-17 Fujifilm Corp 光エネルギー移動素子及び人工光合成素子
JP5300344B2 (ja) * 2007-07-06 2013-09-25 キヤノン株式会社 光検出素子及び撮像素子、光検出方法及び撮像方法
US20090078316A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Qualcomm Incorporated Interferometric photovoltaic cell
US8058549B2 (en) * 2007-10-19 2011-11-15 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Photovoltaic devices with integrated color interferometric film stacks
CA2710198A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Multijunction photovoltaic cells
JP2010027794A (ja) * 2008-07-17 2010-02-04 Fujifilm Corp 光電変換デバイス
US9018616B2 (en) * 2008-07-25 2015-04-28 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Rectifying antenna device with nanostructure diode
US20100096011A1 (en) * 2008-10-16 2010-04-22 Qualcomm Mems Technologies, Inc. High efficiency interferometric color filters for photovoltaic modules
JP4845988B2 (ja) * 2009-03-30 2011-12-28 株式会社豊田中央研究所 アンテナ装置
US9035849B2 (en) * 2009-04-15 2015-05-19 Fractal Antenna Systems, Inc. Methods and apparatus for enhanced radiation characteristics from antennas and related components
WO2011005012A2 (ko) * 2009-07-06 2011-01-13 삼성전자주식회사 무선 전력 전송 시스템 및 상기 시스템을 위한 공진기
KR101040041B1 (ko) * 2009-09-11 2011-06-09 태창엔이티 주식회사 공진형 태양전지
KR101702914B1 (ko) * 2009-12-29 2017-02-06 삼성전자주식회사 공진 전력 전송의 반사파 에너지 관리 장치
CN101872797A (zh) * 2010-04-13 2010-10-27 中国计量学院 一种基于微桥谐振器的新型红外探测器结构及制作方法
US20120040127A1 (en) * 2010-08-13 2012-02-16 University Of Rochester Stacked optical antenna structures, methods and applications
CZ309259B6 (cs) * 2012-09-14 2022-06-29 Vysoké Učení Technické V Brně Fotovoltaický systém zahrnující elementární rezonátor pro využití v energetice

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7688279B2 (en) * 2003-09-08 2010-03-30 Juridical Foundation Osaka Industrial Promotion Organization Fractal structure, super structure of fractal structures, method for manufacturing the same and applications
US20120080073A1 (en) * 2007-11-13 2012-04-05 Battelle Energy Alliance, Llc Devices, systems, and methods for harvesting energy and methods for forming such devices
WO2012100758A1 (en) * 2011-01-27 2012-08-02 Vysoké učeni technické v Brně A photovoltaic element with an included resonator

Also Published As

Publication number Publication date
CZ309259B6 (cs) 2022-06-29
HK1208762A1 (en) 2016-03-11
JP6208241B2 (ja) 2017-10-04
IL237587A0 (en) 2015-04-30
PH12015500560A1 (en) 2015-05-11
MY172199A (en) 2019-11-15
IL237587B (en) 2018-08-30
US20150228830A1 (en) 2015-08-13
CZ2012636A3 (cs) 2014-03-26
AU2017258961B2 (en) 2019-11-21
RS20150180A1 (en) 2015-08-31
EP2896073A2 (en) 2015-07-22
WO2014040576A3 (en) 2014-06-26
CN104813486B (zh) 2017-09-22
MX2015003289A (es) 2015-07-06
MA37995A1 (fr) 2016-03-31
MA37995B1 (fr) 2016-10-31
MX345456B (es) 2017-01-25
JP2015534268A (ja) 2015-11-26
BR112015005486A2 (pt) 2017-08-08
AU2017258961A1 (en) 2017-11-30
PE20150950A1 (es) 2015-06-20
RS56386B1 (sr) 2017-12-29
KR102023448B1 (ko) 2019-09-20
WO2014040576A2 (en) 2014-03-20
ZA201501668B (en) 2016-02-24
CN104813486A (zh) 2015-07-29
BR112015005486B1 (pt) 2021-12-21
SG11201501630YA (en) 2015-04-29
PH12015500560B1 (en) 2015-05-11
EA201590322A1 (ru) 2015-08-31
KR20150082210A (ko) 2015-07-15
UA117107C2 (uk) 2018-06-25
CL2015000626A1 (es) 2015-08-07
TN2015000088A1 (en) 2016-06-29
AU2012389626A1 (en) 2015-03-19
AP2015008297A0 (en) 2015-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2017258961B2 (en) System for transforming energy of solar electromagnetic radiation into electric energy
EA026202B1 (ru) Фотоэлектрический элемент с резонатором
JP2015534268A5 (ru)
JP6663607B2 (ja) 波形選択メタサーフェス
KR102087021B1 (ko) 압전 변환기
US10389020B2 (en) Solar element comprising resonator for application in energetics
US10396449B2 (en) Photovoltaic element with an included resonator
OA17890A (en) A solar element comprising resonator for application in energetics.
AU2011357294A1 (en) A photovoltaic element with an included resonator
AU2019201459B2 (en) A photovoltaic element with an included resonator
OA16494A (en) A photovoltaic element with an included resonator.
Dincer et al. Perfect Metamaterial absorber based energy harvesting application in ISM Band
Kobayashi et al. 3P1-7 Design of Acoustic Metasurface toward a Perfect Absorber