EA037133B1 - Thermoelectric generator - Google Patents
Thermoelectric generator Download PDFInfo
- Publication number
- EA037133B1 EA037133B1 EA202090144A EA202090144A EA037133B1 EA 037133 B1 EA037133 B1 EA 037133B1 EA 202090144 A EA202090144 A EA 202090144A EA 202090144 A EA202090144 A EA 202090144A EA 037133 B1 EA037133 B1 EA 037133B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- gap
- graded
- type
- semiconductor
- semiconductors
- Prior art date
Links
Abstract
Description
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (45) Дата публикации и выдачи патента (51) Int. Cl. H01L 35/02 (2006.01)(12) DESCRIPTION OF THE INVENTION TO THE EURASIAN PATENT (45) Date of publication and grant of the patent (51) Int. Cl. H01L 35/02 (2006.01)
H01L 35/26 (2006.01) (21) Номер заявкиH01L 35/26 (2006.01) (21) Application Number
202090144 (22) Дата подачи заявки202090144 (22) Application Filing Date
2017.08.17 (54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (31) а 2017 06845 (32) 2017.06.30 (33) UA (43) 2020.04.30 (86) PCT/UA2017/000084 (87) WO 2019/004988 2019.01.03 (71)(73) Заявитель и патентовладелец:2017.08.17 (54) THERMOELECTRIC GENERATOR (31) а 2017 06845 (32) 2017.06.30 (33) UA (43) 2020.04.30 (86) PCT / UA2017 / 000084 (87) WO 2019/004988 2019.01.03 (71 ) (73) Applicant and patent owner:
ХВОРОСТЯНЫЙ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ (UA) (72) Изобретатель:HVOROSTYANIY ANDREY DMITRIEVICH (UA) (72) Inventor:
Хворостяный Андрей Дмитриевич (UA), Гензель Виталий (DE) (74) Представитель:Khvorostyaniy Andrey Dmitrievich (UA), Hansel Vitaliy (DE) (74) Representative:
Котлов Д.В. (RU) (56) Saidov A.S. et al. Termovoltaichesky effekt v varizonnom tverdom rastvore sii.xGex(0<x<l). Pisma v ZHTF, 2016, volume 42, edition 14D.V. Kotlov (RU) (56) Saidov AS et al. Termovoltaichesky effekt v varizonnom tverdom rastvore sii. x Ge x (0 <x <l). Pisma v ZHTF, 2016, volume 42, edition 14
Pronin I. A. et al. Termovoltaichesky effekt v okside tsinka, neodnorodno legirovannomprimesyami s peremennoi valentnostju. Pisma v ZHTF, 2015, volume 41, edition 19Pronin I. A. et al. Termovoltaichesky effekt v okside tsinka, neodnorodno legirovannomprimesyami s peremennoi valentnostju. Pisma v ZHTF, 2015, volume 41, edition 19
Bavykin V.V. Termovoltaichesky effekt v dvukhsloinoi strukture [Cu20]9o[Cu2Se]io[Cu20]60[Cu2Se]4o. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, volume 4, №10, p.89-92Bavykin VV Termovoltaichesky effekt v dvukhsloinoi strukture [Cu 2 0] 9 o [Cu 2 Se] io [Cu 2 0] 60 [Cu 2 Se] 4 o. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, volume 4, No. 10, p.89-92
RU-C2-23030834RU-C2-23030834
US-A1-20170211450US-A1-20170211450
037133 В1037133 B1
037133 Bl (57) Изобретение относится к термоэлектрическим генераторам, а именно к термоэлектрическим генераторам, использующим в своей работе термоэлектрические свойства варизонных р-и структур, то есть свойства варизонных полупроводников с акцепторными и донорными примесями (варизонных полупроводников р- и η-типа соответственно) и p-η переходов между ними, и может быть использовано для питания бытовых электроприборов, зарядки элементов питания переносных электронных устройств или другого. Термоэлектрический генератор включает выполненный с возможностью отбора тепла из окружающей среды полупроводниковый блок, содержащий по меньшей мере одну пару соединенных между собой варизонных полупроводников, состоящую из варизоиного полупроводника p-типа и варизонного полупроводника η-типа, при этом широкозонная сторона Р по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа соединена с узкозонной стороной и по меньшей мере одного варизонного полупроводника η-типа, а при наличии еще по меньшей мере одной пары варизонных полупроводников широкозонная сторона N по меньшей мере одного варизонного полупроводника η-типа соединена с узкозонной стороной р по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа. Технический результат заключается в повышении КПД и мощности термоэлектрического генератора, исключении потребности в поддержании разницы температур на контактах полупроводников, нагрева и охлаждения полупроводников, простоте конструкции и использования, удешевлении процесса производства.037133 Bl (57) The invention relates to thermoelectric generators, namely to thermoelectric generators using in their work the thermoelectric properties of graded-gap p-and structures, that is, the properties of graded-gap semiconductors with acceptor and donor impurities (graded-gap semiconductors p- and η-type, respectively) and p-η junctions between them, and can be used to power household electrical appliances, charge batteries for portable electronic devices, or other. The thermoelectric generator includes a semiconductor unit capable of extracting heat from the environment, containing at least one pair of interconnected graded-gap semiconductors, consisting of a varizoin semiconductor p-type and a graded-gap semiconductor η-type, with the wide-gap side P of at least one graded-gap semiconductor of the p-type semiconductor is connected to the narrow-gap side and at least one graded-gap semiconductor of the η-type, and in the presence of at least one more pair of graded-gap semiconductors, the wide-gap side N of at least one graded-gap semiconductor η-type is connected to the narrow-gap side p at least one graded-gap p-type semiconductor. The technical result consists in increasing the efficiency and power of the thermoelectric generator, eliminating the need to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts, heating and cooling semiconductors, simplicity of design and use, and reducing the cost of the production process.
Изобретение относится к термоэлектрическим генераторам, а именно к термоэлектрическим генераторам, использующим в своей работе термоэлектрические свойства варизонных p-n структур, то есть свойства варизонных полупроводников с акцепторными и донорными примесями (варизонных полупроводников p- и n-типа соответственно) и p-n переходов между ними, и может быть использовано для питания бытовых электроприборов, зарядки элементов питания переносных электронных устройств или другого.The invention relates to thermoelectric generators, namely to thermoelectric generators using in their work the thermoelectric properties of graded-gap pn structures, that is, the properties of graded-gap semiconductors with acceptor and donor impurities (graded-gap semiconductors of p- and n-type, respectively) and pn junctions between them, and can be used to power household electrical appliances, charge batteries for portable electronic devices, or other.
Заявленное техническое решение не имеет аналогов, поскольку в открытых источниках патентной и научно-технической информации отсутствуют данные о существовании устройств, подобных заявленному по конструкции и принципу работы. Среди известных термоэлектрогенераторов не обнаружено устройства, характеризующегося объединением использования варизонных полупроводников с акцепторными и донорными примесями и использования свойств p-n переходов между указанными варизонными полупроводниками. Из уровня техники известны термоэлектрогенераторы, которые используют свойства p-n переходов, в частности термоэлектрогенераторы, на которые выданы патент RU 93584 U1 (опубликован 27.04.2010 р., Бюл. № 10), патент RU 2575614 С2 (опубликован 20.02.2016 р., Бюл. № 5), патент RU 2575618 С2 (опубликован 20.02.2016 р., Бюл. № 5), патент RU 2595911 С2 (опубликован 27.08.2016 р., Бюл. № 24), патент UA 72099 U (опубликован 10.08.2012 р., Бюл. № 15), однако они не являются подобными заявленному изобретению по своим существенным признакам, а именно по конструкции, а также по принципу работы, и по достигнутому техническому результату.The claimed technical solution has no analogues, since in open sources of patent and scientific and technical information there is no data on the existence of devices similar to the declared one in terms of design and principle of operation. Among the known thermoelectric generators, no device has been found that combines the use of graded-gap semiconductors with acceptor and donor impurities and the use of the properties of p-n junctions between these graded-gap semiconductors. From the prior art thermoelectric generators are known that use the properties of pn junctions, in particular thermoelectric generators, for which the patent RU 93584 U1 (published 04/27/2010, bull. No. 10), RU 2575614 C2 (published 02/20/2016, bull No. 5), patent RU 2575618 C2 (published on February 20, 2016, bull. No. 5), patent RU 2595911 C2 (published on August 27, 2016, bull. No. 24), patent UA 72099 U (published on August 10, 2012 R., Bul. No. 15), however, they are not similar to the claimed invention in their essential features, namely in design, as well as in the principle of operation, and in the achieved technical result.
Вместе с тем для известных в настоящее время термоэлектрических генераторов, использующих в работе свойства p-n переходов, в том числе тех, которые указаны выше, характерно снижение коэффициента полезного действия (КПД) вследствие потребности в затратах энергии на поддержание разницы температур на контактах полупроводников для использования эффекта Зеебека. Поддержание разницы температур на контактах полупроводников в известных термоэлектрических генераторах осуществляют с помощью охлаждения и нагрева полупроводников соответствующими устройствами, такими как вентиляторы, насосы, обогреватели, горелки и другими, работа которых требует значительных затрат электроэнергии с внешнего источника или с термоэлектрогенератора, или расхода топлива, или использования сложного оборудования для отбора тепла из окружающей среды. При этом использование p-n перехода как такового, в частности анизотипного гетероперехода между полупроводниками в составе известных термоэлектрогенераторов, в незначительной степени повышает КПД термоэлектрогенератора и количество вырабатываемой электроэнергии по сравнению с теми типами электрогенераторов, работа которых основана на других электромагнитных явлениях, не термоэлектрических, или происходит без использования р-n переходов или гетеропереходов. В свою очередь, низкий КПД обусловливает недостаточную мощность термоэлектрических генераторов. Ввиду недостаточной мощности известные термоэлектрогенераторы не могут эффективно использоваться, например, для питания бытовых электроприборов или подзарядки элементов питания переносных электронных устройств, то есть в быту, и могут быть использованы только в ограниченном количестве случаев.At the same time, for the currently known thermoelectric generators that use the properties of pn junctions in their work, including those indicated above, a decrease in the efficiency (efficiency) is characteristic due to the need for energy consumption to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts to use the effect Seebeck. Maintaining the temperature difference at the semiconductor contacts in the known thermoelectric generators is carried out by cooling and heating the semiconductors with appropriate devices, such as fans, pumps, heaters, burners and others, the operation of which requires significant energy consumption from an external source or from a thermoelectric generator, or fuel consumption, or the use of sophisticated equipment for extracting heat from the environment. At the same time, the use of a pn junction as such, in particular an anisotypic heterojunction between semiconductors in the composition of known thermoelectric generators, insignificantly increases the efficiency of a thermoelectric generator and the amount of electricity generated in comparison with those types of electric generators whose operation is based on other electromagnetic phenomena, not thermoelectric, or occurs without using pn junctions or heterojunctions. In turn, low efficiency leads to insufficient power of thermoelectric generators. Due to insufficient power, the known thermoelectric generators cannot be effectively used, for example, for powering household electrical appliances or recharging batteries for portable electronic devices, that is, in everyday life, and can only be used in a limited number of cases.
Потребность в нагреве и охлаждении контактов между полупроводниками в соответствующих устройствах также усложняет конструкцию известных термоэлектрогенераторов, что соответственно затрудняет их использование и требует использования дорогих материалов, сложных процедур и оборудования, больших затрат энергии, времени и труда для их производства, соответственно удорожает изделие.The need for heating and cooling the contacts between semiconductors in the corresponding devices also complicates the design of the known thermoelectric generators, which accordingly complicates their use and requires the use of expensive materials, complex procedures and equipment, large expenditures of energy, time and labor for their production, and accordingly increases the cost of the product.
Кроме того, конструкция известных термоэлектрических генераторов является чрезмерно усложненной, поскольку обусловлена, в частности, сложным взаимным расположением полупроводников, например, в виде ветвей или каскадов, что, в свою очередь, затрудняет использование термоэлектрических генераторов и требует использования дорогих материалов, сложных процедур и оборудования, больших затрат энергии, времени и труда для их производства, соответственно удорожает изделие.In addition, the design of the known thermoelectric generators is overly complicated, since it is caused, in particular, by the complex mutual arrangement of semiconductors, for example, in the form of branches or cascades, which, in turn, complicates the use of thermoelectric generators and requires the use of expensive materials, complex procedures and equipment. , large expenditures of energy, time and labor for their production, respectively, increases the cost of the product.
Однако, учитывая растущую потребность в дешевых, безопасных для пользователя и окружающей среды, небольших по размерам, простых в использовании источниках электроэнергии, существует соответствующая потребность в термоэлектрогенераторах, которые вместе с вышеуказанными свойствами характеризуются также высоким КПД, то есть превращают максимально возможное количество полученной тепловой энергии в электрическую за минимальный промежуток времени, чем достигается оптимальное соотношение полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученной термоэлектрогенератором.However, taking into account the growing need for cheap, safe for the user and the environment, small in size, easy to use sources of electricity, there is a corresponding need for thermoelectric generators, which, together with the above properties, are also characterized by high efficiency, that is, they convert the maximum possible amount of heat energy into electrical power for a minimum period of time, which achieves the optimal ratio of the useful energy used to the total amount of energy received by the thermoelectric generator.
Технической задачей является создание нового термоэлектрического генератора, характеризующегося повышенным КПД и повышенной мощностью при отсутствии потребности в поддержании разницы температур на контактах полупроводников, их нагрева и охлаждения, простотой конструкции и использования, удешевленным процессом производства.The technical task is to create a new thermoelectric generator, characterized by increased efficiency and increased power in the absence of the need to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts, their heating and cooling, simplicity of design and use, and a cheaper production process.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что термоэлектрический генератор, согласно предложению, включает выполненный с возможностью отбора тепла из окружающей среды полупроводниковый блок, содержащий по меньшей мере одну пару соединенных между собой варизонных полупроводников, которая состоит из варизонного полупроводника p-типа и варизонного полупроводника n-типа, при этом широкозонная сторона P по меньшей мере одного варизонного полупроводника p- 1 037133 типа соединена с узкозонной стороной n по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа, а при наличии еще по меньшей мере одной пары варизонных полупроводников широкозонная сторона N по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной p по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа.The solution to this technical problem is achieved by the fact that the thermoelectric generator, according to the proposal, includes a semiconductor unit made with the possibility of extracting heat from the environment, containing at least one pair of interconnected graded-gap semiconductors, which consists of a graded-gap p-type semiconductor and a graded-gap semiconductor n -type, wherein the wide-gap side P of at least one graded-gap semiconductor p-1 037133 type is connected to the narrow-gap side n of at least one graded-gap semiconductor n-type, and in the presence of at least one pair of graded-gap semiconductors, the wide-gap side N is at least of at least one n-type graded-gap semiconductor is connected to the narrow-gap side p of at least one p-type graded-gap semiconductor.
Согласно предложению на наружных поверхностях полупроводникового блока, одна из которых является внешней поверхностью варизонного полупроводника p-типа с узкозонной стороной p или состоит из наружных поверхностей варизонных полупроводников p-типа с узкозонными сторонами p, а другая является внешней поверхностью варизонного полупроводника n-типа с широкозонной стороной N или состоит из наружных поверхностей варизонных полупроводников n-типа с широкозонными сторонами N, закреплены контактные элементы с контактными поверхностями, выполненные с возможностью отбора тепла из окружающей среды, а к узкозонной стороне p первого и широкозонной стороне N последнего варизонных полупроводников p-типа и n-типа соответственно присоединено по выводу.According to the proposal, on the outer surfaces of the semiconductor block, one of which is the outer surface of the graded-gap p-type semiconductor with a narrow-gap side p or consists of the outer surfaces of the graded-gap p-type semiconductors with narrow-gap sides p, and the other is the outer surface of the graded-gap n-type semiconductor with a wide gap side N or consists of the outer surfaces of n-type graded-gap semiconductors with wide-gap sides N, contact elements with contact surfaces made with the possibility of extracting heat from the environment are fixed, and to the narrow-gap side p of the first and wide-gap side N of the last graded-gap p-type semiconductors and n-type is respectively pinned.
Согласно предложению в варианте исполнения на внешней поверхности полупроводникового блока, которая состоит из наружных поверхностей варизонного полупроводника или полупроводников pтипа с узкозонной стороной или сторонами p и варизонного полупроводника или полупроводников nтипа с широкозонной стороной или сторонами N, закреплен контактный элемент с контактной поверхностью, выполненный с возможностью отбора тепла из окружающей среды, а к узкозонной стороне p первого и широкозонной стороне N последнего варизонных полупроводников p-типа и n-типа соответственно присоединено по выводу.According to the proposal, in an embodiment on the outer surface of the semiconductor block, which consists of the outer surfaces of the graded-gap semiconductor or semiconductors of the p-type with a narrow-gap side or sides of p and a graded-gap semiconductor or semiconductors of the n type with a wide-gap side or sides of N, a contact element with a contact surface is fixed. extraction of heat from the environment, and to the narrow-gap side p of the first and wide-gap side of the N last graded-gap semiconductors of p-type and n-type, respectively, is connected at the output.
Согласно предложению варизонные полупроводники содержат кремний и германий.According to the proposal, the graded-gap semiconductors contain silicon and germanium.
Согласно предложению донорной примесью в варизонном полупроводнике n-типа является пятивалентный фосфор, а акцепторной примесью в варизонном полупроводнике p-типа является трехвалентный бор.According to the proposal, the donor impurity in the graded-gap n-type semiconductor is pentavalent phosphorus, and the acceptor impurity in the graded-gap p-type semiconductor is trivalent boron.
Согласно предложению толщина варизонных полупроводников составляет от 0,2 мм.According to the proposal, the thickness of the graded-gap semiconductors ranges from 0.2 mm.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении КПД и мощности термоэлектрического генератора, исключении потребности в поддержании разницы температур на контактах полупроводников, экономичности использования, простоте конструкции и использования, удешевлении процесса производства, расширении области использования.The technical result of the claimed technical solution consists in increasing the efficiency and power of the thermoelectric generator, eliminating the need to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts, economic use, simplicity of design and use, reducing the cost of the production process, expanding the scope of use.
Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и ожидаемым техническим результатом заключается в следующем.The causal relationship between the essential features of the invention and the expected technical result is as follows.
В совокупности существенных признаков заявленного термоэлектрического генератора обеспечивается повышение КПД и мощности термоэлектрического генератора благодаря выполнению полупроводников варизонными, то есть из материалов, которые имеют неодинаковую ширину запрещенной зоны и, соответственно, формируют узкозонную и широкозонную стороны полупроводника, термоэлектрическим свойствам варизонных полупроводников и варизонных p-n структур полупроводникового блока, взаимосвязью и взаимодействием широкозонных сторон P с узкозонными сторонами n и узкозонных сторон p с широкозонными сторонами N варизонных полупроводников, исключению потребности в поддержании разницы температур в месте контакта полупроводников из-за отсутствия потребности в использовании термоэлектрического эффекта Зеебека и, соответственно, потребности в нагреве и охлаждении контактов полупроводников или поддержании разницы температур, для эффективной работы заявленного термоэлектрического генератора, простоте конструкции и использования, удешевлению процесса производства вследствие исключения необходимости сложного взаимного расположения полупроводников, исключения необходимости использования дополнительного оборудования для поддержания разницы температур на контактах полупроводников, отсутствия сложных по строению или сложных в изготовлении элементов конструкции, снижению расхода материалов, энергии, времени и трудозатрат на производство заявленного термоэлектрического генератора.In the aggregate of the essential features of the claimed thermoelectric generator, an increase in the efficiency and power of the thermoelectric generator is provided due to the implementation of graded-gap semiconductors, that is, from materials that have an unequal band gap and, accordingly, form the narrow-gap and wide-gap sides of the semiconductor, thermoelectric properties of graded-gap semiconductors and graded-gap pn structures block, interconnection and interaction of wide-gap sides P with narrow-gap sides n and narrow-gap sides p with wide-gap sides N graded-gap semiconductors, eliminating the need to maintain the temperature difference at the semiconductor contact point due to the absence of the need to use the Seebeck thermoelectric effect and, accordingly, the need for heating and cooling the semiconductor contacts or maintaining the temperature difference, for the effective operation of the declared thermoelectric generator, simplicity of design and use lowering, reducing the cost of the production process due to the elimination of the need for a complex mutual arrangement of semiconductors, the elimination of the need to use additional equipment to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts, the absence of structurally complex or difficult-to-manufacture structural elements, a decrease in the consumption of materials, energy, time and labor costs for the production of the declared thermoelectric generator.
Выполнение заявленного термоэлектрического генератора с полупроводниковым блоком, который содержит по меньшей мере одну пару соединенных между собой варизонных полупроводников, состоящую из варизонного полупроводника p-типа и варизонного полупроводника n-типа, которые содержат химические элементы или их соединения, имеющие неодинаковую ширину запрещенной зоны, и выполнение полупроводникового блока таким образом, что узкозонная сторона p по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа соединена с широкозонной стороной N по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа, а узкозонная сторона n по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа соединена с широкозонной стороной P по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа, обеспечивает повышение КПД и мощности термоэлектрического генератора, исключение потребности поддержания разницы температур на контактах полупроводников, нагрева и охлаждения полупроводников по следующим причинам.Implementation of the claimed thermoelectric generator with a semiconductor unit, which contains at least one pair of interconnected graded-gap semiconductors, consisting of a graded-gap p-type semiconductor and a graded-gap semiconductor n-type, which contain chemical elements or their compounds having an unequal band gap, and making the semiconductor unit in such a way that the narrow-gap side p of at least one graded-gap semiconductor p-type is connected to the wide-gap side N of at least one graded-gap semiconductor n-type, and the narrow-gap side n of at least one graded-gap semiconductor n-type is connected to the wide-gap semiconductor side P of at least one graded-gap semiconductor p-type, provides an increase in the efficiency and power of the thermoelectric generator, eliminating the need to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts, heating and cooling semiconductors for the following reasons.
Вследствие выполнения полупроводников p-типа варизонными, то есть из химических элементов или их соединений, имеющих неодинаковую ширину запрещенной зоны, в каждом из полупроводников p-типа полупроводникового блока имеется широкозонная сторона Р, которая содержит химический элемент или соединение, имеющее большую ширину запрещенной зоны, и узкозонная сторона p, которая содержит химический элемент или соединение, имеющее ширину запрещенной зоны меньше шириныDue to the performance of p-type semiconductors with graded-gap, that is, from chemical elements or their compounds having an unequal band gap, in each of the p-type semiconductors of the semiconductor block there is a wide-gap side P, which contains a chemical element or compound having a large band gap, and a narrow-gap side p, which contains a chemical element or compound having a bandgap less than the width
- 2 037133 запрещенной зоны соответствующего материала широкозонной стороны P. При этом вследствие варизонного характера полупроводника p-типа ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается вместе с постепенным изменением в химическом составе полупроводника в одном направлении, от широкозонной стороны P к узкозонной стороне p. Такое выполнение полупроводников p-типа позволяет при нагревании контактной поверхности соответствующего контактного элемента теплоносителем получить внешнее напряжение, которое необходимо для прямого смещения p-n перехода, за счет движения неосновных носителей заряда с широкозонной стороны P полупроводника p-типа под действием квазиэлектрических полей, а также создать условия для избыточной концентрации неосновных носителей заряда для создания диффузионного тока повышенной мощности в условиях односторонней инжекции и суперинжекции указанных носителей заряда.- 2 037133 band gap of the corresponding material of the wide-gap side P. In this case, due to the graded-gap nature of the p-type semiconductor, the band gap gradually decreases along with a gradual change in the chemical composition of the semiconductor in one direction, from the wide-gap side P to the narrow-gap side p. Such an implementation of p-type semiconductors allows, when heating the contact surface of the corresponding contact element with a coolant, to obtain an external voltage, which is necessary for the forward bias of the pn junction, due to the movement of minority charge carriers from the wide-gap side P of the p-type semiconductor under the action of quasi-electric fields, and also to create conditions for an excess concentration of minority charge carriers to create a diffusion current of increased power under conditions of one-sided injection and superinjection of the indicated charge carriers.
Соответствующее выполнение варизонних полупроводников n-типа полупроводникового блока и их взаимное расположение с варизонными полупроводниками p-типа необходимо для ограничения дрейфового тока, который препятствует диффузионному току. Так нагрев контактной поверхности соответствующего контактного элемента создает только дрейфовый ток основных носителей заряда варизонного полупроводника n-типа через анизотипный гетеропереход n-Р, поскольку движение неосновных носителей заряда с широкозонной стороны N в узкозонную сторону n полупроводника n-типа не происходит. При этом дрейфовый ток имеет небольшую мощность и не препятствует диффузии неосновных носителей заряда с варизонных полупроводников p-типа.Appropriate design of the n-type graded-gap semiconductors of the semiconductor unit and their mutual arrangement with the p-type graded-gap semiconductors is necessary to limit the drift current, which prevents the diffusion current. Thus, heating the contact surface of the corresponding contact element creates only a drift current of the majority charge carriers of the n-type graded-gap semiconductor through the anisotype n-P heterojunction, since the movement of minority charge carriers from the wide-gap side N to the narrow-gap side n of the n-type semiconductor does not occur. In this case, the drift current has a low power and does not prevent the diffusion of minority charge carriers from the graded-gap p-type semiconductors.
Вследствие выполнения полупроводникового блока таким образом, что узкозонная сторона n по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа соединена с широкозонной стороной P по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа, а узкозонная сторона p по меньшей мере одного варизонного полупроводника p типа соединена с широкозонной стороной N по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа, происходит прямое смещение p-n перехода, при котором неосновные носители заряда с варизонного полупроводника p-типа за счет теплового движения попадают в варизонный полупроводник n-типа, преодолевая определенный энергетический барьер в p-n переходе, который в данном случае является анизотипным гетеропереходом. Указанная диффузия неосновных носителей заряда через p-n переход происходит в условиях односторонней инжекции или суперинжекции. В результате повышается мощность диффузионного тока, а также происходит локализация избыточных носителей заряда в гетероструктуре p-P-n-N, позволяет ограничить рекомбинацию носителей заряда, поддерживать энергетическое неравновесие в полупроводниковом блоке без дополнительных затрат энергии.Due to the design of the semiconductor unit in such a way that the narrow-gap side n of at least one graded-gap semiconductor n-type is connected to the wide-gap side P of at least one graded-gap semiconductor p-type, and the narrow-gap side p of at least one graded gap semiconductor p type is connected to the wide gap side N of at least one graded-gap n-type semiconductor, there is a direct displacement of the pn junction, at which minority charge carriers from the graded-gap p-type semiconductor, due to thermal motion, enter the graded-gap n-type semiconductor, overcoming a certain energy barrier in the pn junction, which in this case, it is an anisotypic heterojunction. The specified diffusion of minority charge carriers through the p-n junction occurs under conditions of one-sided injection or superinjection. As a result, the power of the diffusion current increases, as well as the localization of excess charge carriers in the p-P-n-N heterostructure, which makes it possible to limit the recombination of charge carriers, to maintain an energy disequilibrium in the semiconductor block without additional energy consumption.
В случае использования гетероструктуры P-p-N-n происходят процессы, подобные описанным выше, которые отличаются лишь тем, что неосновными носителями заряда, которые формируют диффузионный ток повышенной мощности и принимают участие в односторонней инжекции или суперинжекции, являются электроны. Количество энергии, производимой заявленным термоэлектрическим генератором, увеличивается, если полупроводниковый блок содержит множество пар варизонных полупроводников pтипа и n-типа, так как мощность диффузионного тока увеличивается в соответствии с увеличением количества p-n переходов.In the case of using the P-p-N-n heterostructure, processes similar to those described above occur, which differ only in that the minority charge carriers that form the diffusion current of increased power and take part in one-sided injection or superinjection are electrons. The amount of energy produced by the claimed thermoelectric generator increases if the semiconductor unit contains a plurality of pairs of graded-gap p-type and n-type semiconductors, since the power of the diffusion current increases in accordance with the increase in the number of p-n junctions.
Таким образом существенные признаки заявленного термоэлектрического генератора, а именно выполнение его составляющих и их взаимное расположение и принципы взаимодействия составляющих обуславливают получение тока, в котором преобладает диффузная составляющая, мощность которого выше мощность тока, полученного известными термоэлектрогенераторами.Thus, the essential features of the claimed thermoelectric generator, namely the implementation of its components and their mutual arrangement and the principles of interaction of the components, determine the receipt of a current in which the diffuse component prevails, the power of which is higher than the current power obtained by known thermoelectric generators.
Повышение КПД заявленного термоэлектрического генератора достигается за счет того, что при указанном выше выполнении полупроводникового блока для получения тока не используют эффект Зеебека, что, в свою очередь, устраняет потребность в затратах энергии на поддержание разницы температур на контактах полупроводников и одновременный нагрев и охлаждение полупроводников, а также потребность в использовании сложного оборудования для выполнения указанных выше операций. Фактически для эффективной работы заявленного термоэлектрического генератора необходимо нагревать только внешние поверхности полупроводникового блока с помощью контактных элементов, что может быть осуществлено путем простого контакта контактных элементов с излучением в окружающей среде или нагретым теплоносителем, таким как воздух или вода, причем такое нагревание может быть побочным эффектом работы другого устройства, например котла или солнечного коллектора. При этом большая часть тепловой энергии, которая нагревает контактные поверхности контактных элементов, переходит в тепловое движение неосновных носителей заряда в варизонных полупроводниках, а тепловая энергия, которую выделяет термоэлектрический генератор в процессе работы, рассеивается в закрытом объеме с теплоносителем и может быть использована для нагрева контактных поверхностей контактных элементов.The increase in the efficiency of the claimed thermoelectric generator is achieved due to the fact that with the above-mentioned implementation of the semiconductor block, the Seebeck effect is not used to obtain current, which, in turn, eliminates the need for energy consumption to maintain the temperature difference at the semiconductor contacts and the simultaneous heating and cooling of semiconductors. and the need to use sophisticated equipment to perform the above operations. In fact, for the effective operation of the claimed thermoelectric generator, it is necessary to heat only the outer surfaces of the semiconductor block using contact elements, which can be done by simple contact of the contact elements with radiation in the environment or a heated coolant, such as air or water, and such heating can be a side effect the operation of another device, such as a boiler or solar collector. In this case, most of the thermal energy that heats the contact surfaces of the contact elements goes into the thermal motion of minority charge carriers in the graded-gap semiconductors, and the thermal energy that the thermoelectric generator releases during operation is dissipated in a closed volume with a coolant and can be used to heat the contact surfaces of contact elements.
Вследствие выполнения заявленного термоэлектрического генератора из составляющих, которые имеют простое строение, просты в изготовлении и соединяются между собой без использования сложных структур, таких как ветви, контуры сложной формы, каскады или другие, обеспечивается удешевление производства заявленного термоэлектрического генератора и простота его использования, поскольку производство заявленного термоэлектрического генератора в вышеуказанном исполнении не требуетDue to the implementation of the claimed thermoelectric generator from components that have a simple structure, are easy to manufacture and are interconnected without the use of complex structures, such as branches, contours of complex shapes, cascades or others, the production of the declared thermoelectric generator becomes cheaper and is easy to use, since production the declared thermoelectric generator in the above version does not require
- 3 037133 сложного оборудования, больших затрат материалов, энергии, труда и времени, а использование, как таковое, состоит исключительно в помещении заявленного термоэлектрогенератора в закрытую или открытую емкость с теплоносителем и выводе полученной электрической энергии через выводы для дальнейшего использования.- 3 037133 complex equipment, large expenditures of materials, energy, labor and time, and the use, as such, consists exclusively in placing the declared thermoelectric generator in a closed or open container with a coolant and withdrawing the resulting electrical energy through outputs for further use.
Выполнение варизонных полупроводников из кремния и германия упрощает и удешевляет производство варизонных полупроводников для полупроводникового блока, поскольку данные химические элементы не являются редкими, имеют небольшую стоимость и могут быть объединены в составе варизонного полупроводника без использования сложного оборудования, больших затрат энергии, труда и времени с помощью хорошо известных способов. Вместе с тем кремний и германий имеют необходимую для эффективной работы заявленного термоэлектрического генератора разницу в ширине запрещенной зоны, а также легко легируются акцепторными и донорными примесями. При этом кремний и германий не является высокотоксичными химическими элементами, что делает изготовленные из них варизонных полупроводников безопасным для пользователя заявленного термоэлектрического генератора и окружающей среды.The implementation of graded-gap semiconductors from silicon and germanium simplifies and reduces the cost of production of graded-gap semiconductors for a semiconductor block, since these chemical elements are not rare, have a low cost and can be combined in a graded-gap semiconductor without the use of complex equipment, large expenditures of energy, labor and time using well known methods. At the same time, silicon and germanium have a difference in the band gap necessary for the effective operation of the declared thermoelectric generator, and are also easily doped with acceptor and donor impurities. At the same time, silicon and germanium are not highly toxic chemical elements, which makes graded-gap semiconductors made of them safe for the user of the declared thermoelectric generator and the environment.
Использование в варизонном полупроводнике n-типа пятивалентного фосфора как донорной примеси и использование в варизонному полупроводнике p-типа трехвалентного бора как акцепторной примеси упрощает и удешевляет производство варизонних полупроводников для полупроводникового блока, поскольку данные химические элементы не являются редкими, имеют небольшую стоимость и могут быть легированы в кристаллическую решетку варизонных полупроводников без использования сложного оборудования, больших затрат энергии, труда и времени с помощью хорошо известных способов. Вместе с тем пятивалентные фосфор и трехвалентен бор как соответствующие примеси в составе варизонны полупроводников могут создавать необходимую для эффективной работы заявленного термоэлектрического генератора концентрацию основных и неосновных носителей заряда.The use of pentavalent phosphorus as a donor impurity in a graded-gap n-type semiconductor and the use of trivalent boron as an acceptor impurity in a graded-gap p-type semiconductor simplifies and cheapens the production of graded-gap semiconductors for a semiconductor block, since these chemical elements are not rare, have a low cost and can be doped into the crystal lattice of graded-gap semiconductors without the use of complex equipment, large expenditures of energy, labor and time using well-known methods. At the same time, pentavalent phosphorus and trivalent boron as the corresponding impurities in the graded-gap semiconductors can create the concentration of major and minor charge carriers necessary for the effective operation of the claimed thermoelectric generator.
Выполнение варизонных полупроводников толщиной от 0,2 мм повышает мощность и КПД заявленного термоэлектрического генератора, поскольку варизонные полупроводники, имеющие указанную толщину или больше, наиболее эффективно генерируют электроэнергию при заявленных принципах работы и конструкции термоэлектрического генератора. Кроме того выполнение полупроводникового блока с варизонными полупроводниками указанной толщины делает заявленный термоэлектрический генератор в целом компактным и простым в бытовом использовании даже при наличии множества попарно соединенных варизонных полупроводников в составе полупроводникового блока.The implementation of the graded-gap semiconductors with a thickness of 0.2 mm increases the power and efficiency of the declared thermoelectric generator, since the graded-gap semiconductors having the specified thickness or more generate electricity most efficiently with the declared principles of operation and design of the thermoelectric generator. In addition, the implementation of the semiconductor block with graded-gap semiconductors of the specified thickness makes the claimed thermoelectric generator as a whole compact and simple in domestic use even in the presence of a plurality of pairwise-connected graded-gap semiconductors in the semiconductor block.
Конструкция и принцип работы заявленного изобретения поясняются с помощью следующих изображений:The design and principle of operation of the claimed invention are illustrated using the following images:
фиг. 1 - схематическое изображение общего вида заявленного термоэлектрического генератора в варианте исполнения, расположенного в емкости с теплоносителем;fig. 1 is a schematic view of the general view of the claimed thermoelectric generator in the embodiment, located in a container with a coolant;
фиг. 2 - схематическое изображение заявленного термоэлектрического генератора с двумя выводами в варианте исполнения;fig. 2 is a schematic representation of the claimed thermoelectric generator with two leads in the embodiment;
фиг. 3 - схематическое изображение заявленного термоэлектрического генератора в варианте исполнения с промежутками между полупроводниками и единственным контактным элементом;fig. 3 is a schematic representation of the claimed thermoelectric generator in an embodiment with gaps between semiconductors and a single contact element;
фиг. 4 - схематическое изображение заявленного термоэлектрического генератора в варианте исполнения с промежутками между полупроводниками и двумя контактными элементами.fig. 4 is a schematic representation of the claimed thermoelectric generator in an embodiment with gaps between semiconductors and two contact elements.
В изображениях использованы следующие условные обозначения:The images used the following conventions:
► тепловая энергия (инфракрасное излучение);► thermal energy (infrared radiation);
Ди диффузионный ток;Di diffusion current;
' ।.........—дрейфовый ток;'।......... - drift current;
выводы;findings;
P (Si) - широкозонная сторона варизонного полупроводника p-типа, состоящая из кремния с акцепторной примесью в виде трехвалентного бора в варианте исполнения;P (Si) - wide-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of silicon with an acceptor impurity in the form of trivalent boron in the version;
p (Ge) - узкозонная сторона варизонного полупроводника p-типа, состоящая из германия с акцепторной примесью в виде трехвалентного бора в варианте исполнения;p (Ge) - narrow-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of germanium with an acceptor impurity in the form of trivalent boron in the version;
N (Si) - широкозонная сторона варизонного полупроводника n-типа, состоящая из кремния с донорной примесью в виде пятивалентного фосфора в варианте исполнения;N (Si) - wide-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of silicon with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the version;
n (Ge) - узкозонная сторона варизонного полупроводника n-типа, состоящая из германия с донорной примесью в виде пятивалентного фосфора в варианте исполнения.n (Ge) - narrow-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of germanium with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the version.
На фиг. 1 схематично изображен один из вариантов выполнения заявленного термоэлектрического генератора, который не является исключительным и не ограничивает выполнение заявленного технического решения. В изображенном варианте выполнения термоэлектрический генератор, помещенный в емкость с теплоносителем 5, включает полупроводниковый блок 1, содержащий две пары соединенных между собой варизонных полупроводников 2, два контактных элемента 3 и два вывода 4.FIG. 1 schematically shows one of the embodiments of the claimed thermoelectric generator, which is not exclusive and does not limit the implementation of the claimed technical solution. In the depicted embodiment, a thermoelectric generator placed in a container with a coolant 5 includes a semiconductor unit 1 containing two pairs of interconnected graded-gap semiconductors 2, two contact elements 3 and two terminals 4.
Под термоэлектрическим генератором или термоэлектрогенератором, в данном случае, понимают устройство, которое осуществляет преобразование тепловой энергии в электрический ток.In this case, a thermoelectric generator or thermoelectric generator is understood as a device that converts thermal energy into electric current.
Полупроводниковый блок 1 содержит множество пар соединенных между собой варизонных полу- 4 037133 проводников 2. Пара состоит из варизонного полупроводника p-типа и варизонного полупроводника nтипа. Широкозонная сторона P по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа соединена с узкозонной стороной n по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа, а широкозонная сторона N по меньшей мере одного варизонного полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной p по меньшей мере одного варизонного полупроводника p-типа. Варизонные полупроводники 2 могут прилегать друг к другу и быть соединенными спаиванием, механическими средствами или иным или могут находиться на расстоянии друг от друга и быть соединенными с помощью контактов.The semiconductor unit 1 contains a plurality of pairs of interconnected graded-gap semiconductors 2. The pair consists of a graded-gap semiconductor p-type and a graded-gap semiconductor n-type. The wide-gap side P of at least one graded-gap p-type semiconductor is connected to the narrow-gap side n of at least one graded-gap n-type semiconductor, and the wide-gap side N of at least one graded-gap n-type semiconductor is connected to the narrow gap side p of at least one graded gap semiconductor p-type semiconductor. Varizon semiconductors 2 can be adjacent to each other and be connected by soldering, mechanical means, or otherwise, or they can be spaced apart from each other and connected by means of contacts.
В предпочтительном варианте выполнения каждый из варизонных полупроводников 2 состоит из широкозонной стороны, которая состоит из кремния, узкозонной стороны, которая состоит из германия, и промежуточной зоны между ними со смешанным химическим составом, в которой постепенно уменьшается содержание германия и увеличивается содержание кремния по направлению к широкозонной стороне. Вместе с тем варизонные полупроводники 2 могут быть выполнены из любых полупроводниковых материалов, которые имеют разную ширину запрещенной зоны и могут быть объединены в варизонном полупроводнике с учетом изложенных выше условий. Также в преимущественном исполнении акцепторной примесью для варизонного полупроводника p-типа является трехвалентен бор, а донорной примесью для варизонного полупроводника n-типа является пятивалентный фосфор, которые являются предпочтительными примесями для варизонных полупроводников 2, состоящих из кремния и германия. Однако в качестве акцепторной и донорной примесей могут быть использованы другие подобные материалы в соответствии с полупроводниковыми материалами, из которых состоят варизонные полупроводники 2.In a preferred embodiment, each of the graded-gap semiconductors 2 consists of a wide-gap side, which consists of silicon, a narrow-gap side, which consists of germanium, and an intermediate zone between them with a mixed chemical composition, in which the germanium content gradually decreases and the silicon content increases towards wide-area side. At the same time, the graded-gap semiconductors 2 can be made of any semiconductor materials that have different bandgap widths and can be combined in the graded-gap semiconductor, taking into account the above conditions. Also in the preferred embodiment, the acceptor impurity for the graded-gap p-type semiconductor is trivalent boron, and the donor impurity for the graded-gap n-type semiconductor is pentavalent phosphorus, which are preferred impurities for the graded-gap semiconductors 2, consisting of silicon and germanium. However, other similar materials can be used as acceptor and donor impurities in accordance with the semiconductor materials of which the graded-gap semiconductors 2 are composed.
Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения полупроводникового блока 1 варизонные полупроводники 2 имеют толщину от 0,2 мм.In addition, in a preferred embodiment of the semiconductor unit 1, the graded gap semiconductors 2 have a thickness of 0.2 mm.
В изображенном варианте исполнения (фиг. 1, 2) заявленного изобретения варизонные полупроводники 2 выполнены в виде пластин, и соединены между собой в горизонтальной плоскости. Варизонные полупроводники 2 могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, диффузии или путем напыления германия и кремния на подложку из алюминия или никеля для варизонних n- и pполупроводников соответственно. Вместе с тем в качестве подложки могут быть использованы другие материалы, которые соответствуют свойствам материалов варизонных полупроводников.In the illustrated embodiment (Fig. 1, 2) of the claimed invention, the graded-gap semiconductors 2 are made in the form of plates, and are interconnected in the horizontal plane. Graded-gap semiconductors 2 can be produced by liquid-phase epitaxy, diffusion, or by sputtering germanium and silicon onto an aluminum or nickel substrate for graded-gap n- and p-semiconductors, respectively. At the same time, other materials can be used as a substrate, which correspond to the properties of materials of graded-gap semiconductors.
Два контактных элемента 3 с контактными поверхностями закреплены на внешних поверхностях полупроводникового блока 1, одна из которых в одном из возможных вариантов исполнения (фиг. 1, 2, 3) является внешней поверхностью варизонного полупроводника p-типа с узкозонной стороны p, а другая является внешней поверхностью варизонного полупроводника n-типа с широкозонной стороны N, и выполнены с возможностью отбора тепла из окружающей среды. В изображенном варианте выполнения контактные элементы 3 представляют собой закрепленные на наружных поверхностях полупроводникового блока 1 горизонтально ориентированные пластины из алюминия. Вместе с тем контактные элементы 3 могут быть выполнены из другого материала, который обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и устойчивостью к действию высокой температуры. Контактные элементы 3 могут быть закреплены на соответствующих сторонах варизонных полупроводников 2 с помощью спаивания, склеивания, механических средств или другими подобными способами.Two contact elements 3 with contact surfaces are fixed on the outer surfaces of the semiconductor unit 1, one of which in one of the possible versions (Fig. 1, 2, 3) is the outer surface of the graded-gap p-type semiconductor from the narrow-gap side p, and the other is the outer the surface of the n-type graded-gap semiconductor from the wide-gap side N, and are made with the possibility of extracting heat from the environment. In the illustrated embodiment, the contact elements 3 are horizontally oriented aluminum plates fixed on the outer surfaces of the semiconductor unit 1. At the same time, the contact elements 3 can be made of another material that has high thermal conductivity, chemical resistance and resistance to high temperatures. The contact elements 3 can be fixed on the respective sides of the graded-gap semiconductors 2 by soldering, gluing, mechanical means or other similar means.
Два вывода 4 присоединены к узкозонной стороне p и широкозонной стороне N варизонных полупроводников p-типа и n-типа соответственно, наружные поверхности которых являются внешними поверхностями полупроводникового блока 1 и/или которые являются первым и последним полупроводником соответственно. В предпочтительном варианте выполнения выводы 4 содержат металлические контакты, присоединенные к узкозонной стороне p первого и широкозонной стороне N последнего варизонных полупроводников p-типа и n-типа соответственно, наружные поверхности которых являются внешними поверхностями полупроводникового блока 1 и покрыты изоляционным покрытием. Материалом металлических контактов выводов 4 может быть, например, медь или другие химические элементы с выраженными металлическими свойствами.Two leads 4 are connected to the narrow-gap side p and wide-gap side N of the graded-gap p-type and n-type semiconductors, respectively, the outer surfaces of which are the outer surfaces of the semiconductor unit 1 and / or which are the first and last semiconductors, respectively. In a preferred embodiment, the leads 4 comprise metal contacts connected to the narrow-gap side p of the first and wide-gap side N of the last graded-gap p-type and n-type semiconductors, respectively, the outer surfaces of which are the outer surfaces of the semiconductor unit 1 and are covered with an insulating coating. The material of the metal contacts of the terminals 4 can be, for example, copper or other chemical elements with pronounced metallic properties.
Теплоносителем 5 для заявленного термоэлектрического генератора может быть вода, воздух или другая жидкая или газообразная среда, которая нагревается внешним источником тепла. Преимущественный вариант выполнения заявленного термоэлектрического генератора эффективно производит электрическую энергию при температуре теплоносителя 5 от 60 до 90°С. Внешним источником тепла может быть солнце, процесс сжигания газа, твердого топлива и прочее.The heat carrier 5 for the claimed thermoelectric generator can be water, air or other liquid or gaseous medium that is heated by an external heat source. The preferred embodiment of the claimed thermoelectric generator effectively produces electrical energy at a coolant temperature of 5 from 60 to 90 ° C. An external source of heat can be the sun, the process of burning gas, solid fuel, etc.
На фиг. 2 схематично изображен не исключительный вариант выполнения заявленного термоэлектрического генератора с упрощенным схематическим обозначением направлений диффузионного и дрейфового тока, а также структуры и материалов варизонных полупроводников 2 и контактных элементов 3.FIG. 2 schematically shows a non-exclusive embodiment of the claimed thermoelectric generator with a simplified schematic designation of the directions of diffusion and drift currents, as well as the structure and materials of the graded-gap semiconductors 2 and contact elements 3.
В изображенном на фиг. 3 варианте исполнения выполнена одна внешняя поверхность полупроводникового блока, которая состоит из наружных поверхностей варизонных полупроводников 2: варизонного полупроводника или полупроводников p-типа с узкозонной стороной p и варизонного полупроводника или полупроводников n-типа с широкозонная стороной N, и на которой закреплен контактный элемент 3 с контактной поверхностью, выполненный с возможностью отбора тепла из окружающей среды.In the embodiment shown in FIG. 3, one external surface of the semiconductor block is made, which consists of the outer surfaces of the graded-gap semiconductors 2: a graded-gap semiconductor or p-type semiconductors with a narrow-gap side p and a graded-gap semiconductor or n-type semiconductors with a wide-gap side N, and on which a contact element 3 is fixed with a contact surface, made with the possibility of extracting heat from the environment.
- 5 037133- 5 037133
В изображенном на фиг. 4 варианте исполнения одна из наружных поверхностей является внешней поверхностью варизонного полупроводника p-типа с узкозонной стороной p или может состоять из внешних поверхностей варизонних полупроводников p-типа с узкозонными сторонами p, а другая является внешней поверхностью варизонного полупроводника n-типа с широкозонной стороной N или может состоять из внешних поверхностей варизонних полупроводников n-типа с широкозонными сторонами N. На внешних поверхностях закреплены контактные элементы 3 с контактными поверхностями, выполненные с возможностью отбора тепла из окружающей среды.In the embodiment shown in FIG. 4, one of the outer surfaces is the outer surface of the graded-gap p-type semiconductor with a narrow-gap side p or can consist of the outer surfaces of the graded-gap p-type semiconductors with narrow-gap sides p, and the other is the outer surface of the graded-gap n-type semiconductor with a wide-gap side N or can consist of the outer surfaces of n-type graded-gap semiconductors with wide-gap sides N. On the outer surfaces contact elements 3 with contact surfaces are fixed, made with the possibility of extracting heat from the environment.
Заявленный термоэлектрический генератор используют следующим образом.The claimed thermoelectric generator is used as follows.
В одном из возможных вариантов использования, когда источником тепла является нагретая или кипящая вода, контакты выводов 4 подсоединяют, например, к преобразователю ток-напряжение, образуя электрическую цепь, и помещают заявленный термоэлектрический генератор в теплоноситель 5 таким образом, чтобы контактные поверхности контактных элементов 3 были погружены в теплоноситель и контактировали с ним. Далее теплоноситель 5, находящийся в открытой или закрытой емкости, нагревают внешним источником тепла, например, с помощью топлива, газа или аккумулированными солнечными лучами.In one of the possible uses, when the heat source is heated or boiling water, the contacts of the terminals 4 are connected, for example, to the current-voltage converter, forming an electric circuit, and the declared thermoelectric generator is placed in the coolant 5 so that the contact surfaces of the contact elements 3 were immersed in the coolant and in contact with it. Further, the heat carrier 5, located in an open or closed container, is heated by an external heat source, for example, with the help of fuel, gas or accumulated solar rays.
Контактные элементы 3 отбирают тепловую энергию с теплоносителя и передают ее варизонным полупроводникам 2 через наружные поверхности полупроводникового блока, что запускает процесс работы заявленного термоэлектрического генератора. В варизонном полупроводнике p-типа возникает квазиэлектрическое поле, что в дальнейшем приводит к переходу неосновных носителей заряда из варизонного полупроводника p-типа в варизонный полупроводник n-типа и их односторонней инжекции или суперинжекции через p-n переход. В варизонном полупроводнике n-типа возникает внутреннее электрическое поле, что в дальнейшем приводит к возникновению дрейфового тока. Постоянное нагревание контактных элементов 3 заявленного термоэлектрического генератора позволяет поддерживать энергетическое неравновесие в полупроводниковом блоке 1, а охлаждение полупроводникового блока 1, которое предотвращает его перегрев, осуществляется за счет эффекта Пельтье. Тепло, выделяемое в результате работы заявленного термоэлектрического генератора, рассеивается в теплоносителе 5.Contact elements 3 take thermal energy from the coolant and transfer it to graded-gap semiconductors 2 through the outer surfaces of the semiconductor block, which starts the operation of the claimed thermoelectric generator. In the graded-gap p-type semiconductor, a quasi-electric field arises, which subsequently leads to the transition of minority charge carriers from the graded-gap p-type semiconductor to the graded-gap semiconductor n-type and their one-sided injection or superinjection through the p-n junction. An internal electric field arises in a graded-gap n-type semiconductor, which subsequently leads to the appearance of a drift current. Constant heating of the contact elements 3 of the claimed thermoelectric generator allows maintaining energy imbalance in the semiconductor unit 1, and the cooling of the semiconductor unit 1, which prevents its overheating, is carried out due to the Peltier effect. The heat released as a result of the operation of the declared thermoelectric generator is dissipated in the coolant 5.
Таким образом в образованной электрической цепи появляется электрический ток, который через выводы 4 направляется, например, в преобразователь или преобразователи ток-напряжение и может быть использован для питания бытовых электроприборов, технического оборудования, зарядки элементов питания переносных электронных устройств и прочего.Thus, an electric current appears in the formed electrical circuit, which is directed through terminals 4, for example, to a current-voltage converter or converters and can be used to power household appliances, technical equipment, charge batteries for portable electronic devices, and others.
При этом нагрев теплоносителя 5 не требует больших затрат энергии и сложного оборудования, а его интенсивность легко контролируется пользователем заявленного термоэлектрического генератора. Для прекращения работы заявленного термоэлектрического генератора достаточно отсоединить провода выводов 4 от устройства, замыкающего электрическую цепь или прекратить нагревание теплоносителя 5.At the same time, heating of the coolant 5 does not require large expenditures of energy and complex equipment, and its intensity is easily controlled by the user of the declared thermoelectric generator. To stop the operation of the declared thermoelectric generator, it is enough to disconnect the wires of terminals 4 from the device that closes the electrical circuit or to stop heating the coolant 5.
С целью и в процессе исследований создан экспериментальный образец заявленного термоэлектрического генератора, который имеет мощность 400 Вт.For the purpose and in the process of research, an experimental sample of the declared thermoelectric generator was created, which has a power of 400 W.
Сравнительный анализ вышеуказанного технического решения с устройствами подобного назначения, известными из уровня техники, показал, что реализация совокупности существенных признаков, характеризующих предложенное изобретение, приводит к появлению качественно новых указанных выше технических свойств, совокупность которых не была установлена ранее из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретательский уровень.Comparative analysis of the above technical solution with devices of a similar purpose, known from the prior art, showed that the implementation of a set of essential features characterizing the proposed invention leads to the emergence of qualitatively new above technical properties, the totality of which has not been established earlier from the existing level of technology, which allows make a conclusion about the compliance of the proposed technical solution with the criterion of inventive step.
В существующих источниках патентной и научно-технической информации не обнаружен термоэлектрический генератор, который имеет заявленную совокупность существенных признаков, поэтому представленное техническое решение соответствует критерию новизна.In the existing sources of patent and scientific and technical information, no thermoelectric generator has been found, which has the claimed set of essential features, therefore, the presented technical solution meets the criterion of novelty.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как не содержит в своем составе никаких конструктивных элементов и материалов, которые невозможно воспроизвести на современном этапе развития техники в условиях промышленного производства.The proposed technical solution is industrially applicable, since it does not contain any structural elements and materials that cannot be reproduced at the present stage of development of technology in industrial production.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201706845A UA118506C2 (en) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | THERMOELECTRIC GENERATOR |
| PCT/UA2017/000084 WO2019004988A1 (en) | 2017-06-30 | 2017-08-17 | Thermoelectric generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA202090144A1 EA202090144A1 (en) | 2020-04-09 |
| EA037133B1 true EA037133B1 (en) | 2021-02-10 |
Family
ID=70483879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA202090144A EA037133B1 (en) | 2017-06-30 | 2017-08-17 | Thermoelectric generator |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA037133B1 (en) |
| UA (1) | UA118506C2 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170211450A1 (en) * | 2016-01-25 | 2017-07-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power generator for vehicle |
-
2017
- 2017-06-30 UA UAA201706845A patent/UA118506C2/en unknown
- 2017-08-17 EA EA202090144A patent/EA037133B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170211450A1 (en) * | 2016-01-25 | 2017-07-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power generator for vehicle |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Bavykin V.V. Termovoltaichesky effekt v dvukhsloinoi strukture [Cu2O]90[Cu2Se]10-[Cu2O]60[Cu2Se]40. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, volume 4, №10, p.89-92 * |
| Pronin I.A. et al. Termovoltaichesky effekt v okside tsinka, neodnorodno legirovannom primesyami s peremennoi valentnostju. Pisma v ZHTF, 2015, volume 41, edition 19 * |
| Saidov A.S. et al. Termovoltaichesky effekt v varizonnom tverdom rastvore si1-xGex(0x1). Pisma v ZHTF, 2016, volume 42, edition 14 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202090144A1 (en) | 2020-04-09 |
| UA118506C2 (en) | 2019-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2419919C2 (en) | Thermoelectric element | |
| Posthuma et al. | Emitter formation and contact realization by diffusion for germanium photovoltaic devices | |
| US8334450B2 (en) | Seebeck solar cell | |
| RU2002126569A (en) | THERMOELECTRIC CONVERTER AND METHOD OF TRANSFER OF HEAT ENERGY | |
| CN103426963A (en) | Concentrated photovoltaic/quantum well thermoelectric power source | |
| Lorenzi et al. | Conditions for beneficial coupling of thermoelectric and photovoltaic devices | |
| Tang et al. | The theoretical performance of GaInAsSb and GaSb cells versus IR emitter temperature in thermophotovoltaic systems | |
| RU2005131609A (en) | SOLID ENERGY CONVERTER | |
| WO2019004988A1 (en) | Thermoelectric generator | |
| KR101001328B1 (en) | Compound generator using solar energy | |
| Prabha et al. | Drawing the most power from low-cost single-well 1-mm 2 CMOS photovoltaic cells | |
| EA037133B1 (en) | Thermoelectric generator | |
| Rafat | A simple analytical treatment of edge-illuminated VMJ silicon solar cells | |
| KR101223061B1 (en) | Method of preparing solar cell and solar cell prepared by the same | |
| JP2007103617A (en) | THERMOELECTRIC CONVERTOR OF SEMICONDUCTOR pin JUNCTION | |
| KR102549143B1 (en) | semiconductor thermoelectric generator | |
| Frank et al. | A low series resistance silicon photovoltaic cell for high intensity applications | |
| Saidov | Photothermoelectric cell for thermophotovoltaic systems and solar power plants with concentrators | |
| EA041242B1 (en) | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| Saidov | Semiconductor voltaics: Problems and prospects | |
| Khvostikov et al. | Photoconverters for solar TPV systems | |
| Iles et al. | Design and fabrication of thermophotovoltaic cells | |
| Gorskyi et al. | Prospects For Increasing The Efficiency Of Generator System Based On Combination Of Photo-And Thermoelectric Effects | |
| Wu | A simulation of Gallium Indium Nitride Based Solar Cells | |
| Grempels | Fundamentals of Solar Cells and Advancements in Copper Contacts |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU |