LV14621B

LV14621B - Apparatus for converting light radiation into electrical energy

Info

Publication number: LV14621B
Application number: LVP-11-77A
Authority: LV
Inventors: Viktors Gavrilovs; Juris Ekmanis; Viktors KOVAÄ»EVS; Ernsts Raitmans
Original assignee: Fizikālās Enerģētikas Institūts
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-02-20
Also published as: LV14621A

Abstract

The invention relates to converters of light radiation energy into electrical energy, and it can be used in manufacturing high-efficiency elements for solar batteries. The offered converter of incoming light radiation energy into electrical have a high efficiency (up to 85%), and it comprises a single-crystal silicon wafer (1) having a light-sensitive layer in the form of a p-n or n-p junction barrier (2) that lies at a depth of 120-180 nm beneath the front surface of said single-crystal silicon wafer (1) and metal nanoparticles (3) implanted at a depth of 80-120 nm beneath the front surface of said single-crystal silicon wafer (1) (the location of the implantation thereof is schematically shown with a dash-line).

Description

Izgudrojuma apraksts izgudrojums attiecas uz elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājiem elektriskajā enerģijā un var tikt izmantots augstas efektivitātes saules bateriju elementu ražošanā.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention relates to electromagnetic light radiation converters for electrical energy and can be used in the manufacture of high efficiency solar cells.

Zināmā tehnikas līmeņa īsa analīzeBrief analysis of prior art

Ir zināms heterogēnais fotoelements [patents RU2217845], kurš ietver: uz metāla plāksnes novietotu gaismas jutīgo slāni, kurš ir n-tipa pusvadītāju polimērs un satur pusvadītāja nanodaļiņas, izveidotas p-tipa pusvadītāju nanokristālu veidā; caurspīdīgu vadošo slāni un elektrokontaktu tīklu, pie kam norādītajā gaismas jutīgajā slānī papildus ir ievadītas metāla nanodaļiņas ar izmēru 10-30 nm pie norādīto nanodaļiņu koncentrācijas norādītajā slānī (1-10)x10^-2 tilpuma daļas un pie vidējā attāluma starp norādītajiem nanokristāliem, kas nav lielāks par 1000 nm. Tomēr zināmajam heterogēnajam fotoelementam ir sarežģīta daudzslāņu struktūra. Tādēļ ir iespējama heterogēnā fotoelementa degradācija īsā laika periodā, un tā rezultātā pasliktinās dzidrināšana krītošajam elektromagnētiskajam gaismas starojumam, kas izsauc krītošās elektromagnētiskā gaismas starojuma plūsmas pārveidošanas elektriskajā enerģijā parametru zemu stabilitāti.A heterogeneous photoelectric cell is known [patent RU2217845] which comprises: a light-sensitive layer deposited on a metal plate which is an n-type semiconductor polymer and contains semiconductor nanoparticles formed in the form of p-type semiconductor nanocrystals; a transparent conductive layer and an electrical contacting network, wherein said light-sensitive layer further comprises metal nanoparticles having a size of 10-30 nm at said nanoparticle concentration in said (1-10) x10 ^-2 volume fraction and at an average distance between said non-nanocrystals greater than 1000 nm. However, the known heterogeneous photocell has a complex multilayer structure. Therefore, degradation of the heterogeneous photocell is possible over a short period of time, resulting in poorer clarification of the incident electromagnetic light radiation, which results in a low stability of the parameters for converting the incident electromagnetic light beam into electrical energy.

Ir zināms elektromagnētiskā starojuma pārveidotājs [patents RU2331141], kurš satur vismaz vienu gaismas jutīgo slāni, kurš nodrošina fotostrāvas ģenerēšanu, absorbējot elektromagnētisko starojumu, kā arī satur strāvas aizvadīšanas elektrodus un metāla nanodaļiņas ar krītošās gaismas spektra maksimuma viļņa garuma kārtas vai mazāku izmēru, kuras nodrošina krītošās gaismas koncentrēšanu tuvējā zonā pie nanodaļiņām un fotostrāvas ģenerēšanu, kad notiek minētā starojuma absorbcija. Elektromagnētiskā starojuma pārveidotājs aprakstītā konkrētā izpildes variantā satur metāla kontaktu (elektrodu) un pamatni. Uz pamatnes ir novietots gaismas jutīgs slānis ar vismaz vienu p-n pāreju. Uz pārveidotāja priekšējās virsmas, kuru veido pret ārējo elektromagnētisko lauku vērstā gaismas jutīgā slāņa virsma, ir novietoti joslveida elektriskie kontakti. Virs gaismas jutīgā slāņa priekšējās virsmas un kontaktiem ir uznests vienlaidus noturošais dielektriskais slānis, kura iekšienē ir novietotas metāla nanodaļiņas.An electromagnetic radiation converter [patent RU2331141] is known which contains at least one photosensitive layer that provides photovoltaic generation by absorbing electromagnetic radiation, as well as conducting electrodes and metal nanoparticles with a wavelength order of the maximum wavelength of the incident light spectrum focusing the incident light on the nanoparticles in the immediate area and generating a photocurrent when said radiation is absorbed. The electromagnetic radiation converter in the specific embodiment described comprises a metal contact (electrode) and a base. A light-sensitive layer with at least one p-n transition is applied to the substrate. On the front surface of the converter, which is formed by the surface of the light-sensitive layer facing the external electromagnetic field, there are band-shaped electrical contacts. A continuous dielectric layer is applied over the front surface of the photosensitive layer and the contacts, and metal nanoparticles are deposited inside it.

Tomēr zināmajam elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājam elektriskajā enerģijā [patents RU2331141] ir sarežģīta daudzslāņu struktūra. Metāla nanodaļiņas ir fiksētas un tiek noturētas uz pamatnes, tostarp uz monokristāliska silīcija pamatnes, virsmas tikai ar dielektriskās vides palīdzību, un pastāv iespēja, ka laika gaitā metāla daļiņas salīp un tā rezultātā notiek elektromagnētiskā starojuma pārveidotāja parametru būtiska degradācija.However, the known transducer of electromagnetic light into electrical energy [patent RU2331141] has a complex multilayer structure. Metal nanoparticles are fixed and retained on a substrate, including a monocrystalline silicon substrate, only by dielectric medium, and over time the metal particles may adhere and result in significant degradation of the electromagnetic transducer parameters.

Vistuvākais piedāvātajam izgudrojumam ir fotoelements (elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājs elektriskajā enerģijā) [patents RU2390075], kurš satur monokristālisku silīcija pamatni ar caurumu vai elektronu vadītspēju. Uz minētās pamatnes ir novietoti n+ un p+ tipa pusvadītāju slāņi ar p-n pāreju un caurspīdīgs pusvadošs slānis, kurā ir ievadītas metāla nanodaļiņas, pie tam katra nanodaļiņa atrodas padziļinājumā (bedrītē), bet starp nanodaļiņu un pamatnes p-n pārejas virsmu atrodas plāns, mazāks par 10 nm, dielektrisks slānis. Tomēr šim elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājam elektriskajā enerģijā uz absorbējošās virsmas ir mākslīgi radīti raupjumi periodisku nanoizmēru padziļinājumu veidā, kuri rada krītošā elektromagnētiskā gaismas starojuma difūzās izkliedes palielināšanos un tādējādi būtiski samazinās krītošā elektromagnētiskā gaismas starojuma absorbcija. Bez tam šī elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja izgatavošanas tehnoloģija ir sarežģīta, sevišķi grūti ir nodrošināt pareizu metāla nanodaļiņu izvietošanu padziļinājumos. Bez tam gaismas jutīgā slāņa izvietošana 500 nm dziļumā monokristāliskajā silīcijā ir mazāk efektīva augsta krītošā elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas koeficienta elektriskajā enerģijā sasniegšanai.Closest to the present invention is a photocell (electromagnetic light beam converter for electric energy) [patent RU2390075] which contains a single crystal silicon backing with a hole or electron conductivity. On said substrate are placed n + and p + type semiconductor layers with a pn transition and a transparent semiconductor layer in which metal nanoparticles are introduced, each nanoparticle being in a recess, and between the nanoparticle and the substrate pn transition surface is thin, less than 10 nm , dielectric layer. However, this transducer of electromagnetic light emitted by electrical energy on the absorbent surface has artificially created roughness in the form of periodic nano-sized recesses which cause an increase in the diffuse scattering of the incident electromagnetic light and thus significantly reduce the absorption of the incident electromagnetic light. In addition, the technology for manufacturing this electromagnetic light transducer is complex, and it is particularly difficult to ensure proper placement of metal nanoparticles in the recesses. In addition, the placement of a light sensitive layer at a depth of 500 nm in monocrystalline silicon is less effective in achieving a high incident electromagnetic luminous conversion coefficient in electrical energy.

Izgudrojuma mērķis un būtībaPurpose and substance of the invention

Tehniskais uzdevums, kuru risina piedāvātais izgudrojums, ir paaugstināt krītošā elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas koeficientu elektriskajā enerģijā, paaugstinot pārveidotāja elektromagnētiskā gaismas starojuma absorbcijas spēju, kā arī vienkāršot elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā ražošanas tehnoloģiju.The technical problem solved by the present invention is to increase the conversion coefficient of incident electromagnetic light radiation into electrical energy by increasing the electromagnetic light radiation absorption capacity of the converter, as well as to simplify the technology of producing the electromagnetic light radiation converter into electric energy.

Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājā elektriskajā enerģijā, kurš satur monokristālisku silīcija plāksni ar gaismas jutīgu slāni virsmas p-n vai n-p pārejas veidā, kura novietota monokristāliskās silīcija plāksnes priekšpusē, kā arī satur katodu, anodu un metāla nanodaļiņas, p-n vai n-p pāreja atbilstoši izgudrojumam ir novietota 180-220 nm dziļumā no monokristāliskās silīcija plāksnes priekšpuses virsmas, bet metāla nanodaļiņas ir ievadītas monokristāliskajā silīcija plāksnē 80-120 nm dziļumā no tās priekšpuses virsmas. Eksperimentālie un aprēķinu dati parādīja, ka tieši pie tāda gaismas jutīgā slāņa (p-n vai n-p pārejas) un ievadīto metāla nanodaļiņu, kuras ievadītas norādītajā dziļumā no monokristāliskās silīcija plāksnes priekšējās virsmas, savstarpējā novietojuma tiek nodrošināts augsts krītošā gaismas elektromagnētiskā starojuma pārveidošanas koeficients elektriskajā enerģijā, pateicoties tam, ka pārveidotājam paaugstinās elektromagnētiskā gaismas starojuma absorbcijas spēja. Ievadītās metāla nanodaļiņas faktiski silīcija monokristāla iekšienē veido difrakcijas režģi, kurš izveido difrakcijas staru sistēmu. Šo difrakcijas staru gaita silīcija monokristāla kristāliskajā struktūrā ir līdzīga staru gaitai caur savācējlēcām, pie tam šie stari fokusējas gaismas jutīgajā slānī (p-n vai np pārejā).In an electromagnetic light transducer of electrical energy comprising a monocrystalline silicon wafer having a photosensitive layer in the form of a surface pn or np transition disposed on the front of the monocrystalline silicon wafer and comprising a cathode, anode and metal nanoparticles, the pn or np transition according to the invention is At 220 nm from the face of the monocrystalline silicon wafer, while the metal nanoparticles are introduced into the single crystalline silicon wafer at a depth of 80-120 nm from its face. Experimental and computational data showed that at the interposition of the light sensitive layer (pn or np transition) and the introduced metal nanoparticles, which are introduced at the indicated depth from the front surface of the monocrystalline silicon plate, a high conversion energy of the incident electromagnetic radiation that the transducer increases the absorption capacity of electromagnetic light radiation. The introduced metal nanoparticles actually form a diffraction grating inside the silicon single crystal, which creates a diffraction beam system. The course of these diffraction beams in the crystalline structure of the silicon monocrystalline is similar to that of the beams through the collecting lenses, and these beams are focused in the light-sensitive layer (p-n or np transition).

Monokristāliskajā silīcija plāksnē pārsvarā ir ievadītas metāla nanodaļiņas no sudraba vai zelta. Ievadīto metāla nanodaļiņu izmērs pārsvarā sastāda 5-15 nm, bet attālums starp tām pārsvarā sastāda 800-1000 nm.The monocrystalline silicon wafer contains predominantly metallic silver or gold nanoparticles. The size of the metal nanoparticles introduced is predominantly 5-15 nm, but the distance between them is predominantly 800-1000 nm.

Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājs elektriskajā enerģijā var tikt aprīkots ar dzesēšanas līdzekli. Tā kā ilgstoši ekspluatējot šo pārveidotāju, kuram ir augsts absorbcijas koeficients, tā temperatūra būtiski paaugstinās, tas var novest pie ievadīto sudraba vai zelta nanodaļiņu izkrišanas silīcija kristāla starpmezglu telpā un, kā rezultāts, var notikt vadītspējas elektronu pārtveršana un ekranēšana, kas izsauc elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas koeficienta elektriskajā enerģijā pazemināšanos pat par vairākām reizēm. Pārveidotāja temperatūras stabilizēšanai var tikt izmantots radiators ar ūdens caurteci, kur ūdens tek caur tajā izveidotiem caurumiem, vai radiators bez caurteces.The transducer of electromagnetic light radiation into electric energy may be equipped with a refrigerant. Due to the high temperature increase of this transducer, which has a high absorption coefficient, this can lead to the disappearance of the introduced silver or gold nanoparticles in the silicon crystal interstitial space and, as a result, conductive electron capture and shielding, which causes electromagnetic light radiation. reduction of the conversion factor to electric energy even several times. A water-through radiator can be used to stabilize the temperature of the converter, where water flows through the holes made in it, or a water-free radiator.

Piedāvātajam elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājam elektriskajā enerģijā ir augsts (līdz 85%) krītošā elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas koeficients elektriskajā enerģijā viļņu garumu diapazonam no infrasarkanā starojuma līdz ultravioletajam starojumam, pateicoties pārveidotāja paaugstinātai elektromagnētiskā gaismas starojuma absorbcijas spējai. Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā ražošanas tehnoloģija ir būtiski vienkāršota, jo metāla nanodaļiņas ir ievadītas silīcija monokristālā, tās nenostiprinot stacionārā stāvoklī ne ar kādiem tehnoloģiski sarežģīti veidojamiem uzklājamiem, kā arī difūzo izkliedi palielinošiem noturošajiem dielektiskajiem slāņiem.The proposed electromagnetic light transducer in electrical energy has a high (up to 85%) conversion rate of incident electromagnetic light into electrical energy in the wavelength range from infrared to ultraviolet radiation due to the increased electromagnetic light absorption capacity of the converter. The technology for producing electromagnetic light transducers in electrical energy has been significantly simplified because the metal nanoparticles are introduced into a silicon monocrystalline without being fixed in a stationary state by any technologically sophisticated dielectric deposition layer that enhances diffusion scattering.

Piedāvātā elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā viena izpildes varianta shēma, kas nav vienīgā iespējamā, ir attēlota Fig. 1 un satur monokristālisku silīcija plāksni 1 ar gaismas jutīgu slāni virsmas p-n vai n-p pārejas 2 veidā, kura novietota 180-220 nm dziļumā no monokristāliskās silīcija plāksnes 1 priekšpuses virsmas, un ar metāla (zelta vai sudraba) nanodaļiņām 3 (Fig.1 nosacīti ar svītrlīniju ir parādīta to ievadīšanas vieta), kuras monokristāliskajā silīcija plāksnē 1 ir ievadītas 80-120 nm dziļumā no tās priekšpuses virsmas. Metāla daļiņu izmērs sastāda 5-15 nm, bet attālums starp tām sastāda 800-1000 nm. Uz monokristāliskās silīcija plāksnes 1 priekšējās virsmas ir novietots katods 4, kurš ir izveidots sudraba ķemmes veidā. Uz monokristāliskās silīcija plāksnes 1 aizmugurējās virsmas ir novietots metāla anods 5 no sudraba, kurš pilnīgi pārklāj monokristāliskās silīcija plāksnes 1 aizmugurējo virsmu. Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājs elektriskajā enerģijā var būt aprīkots ar dzesēšanas līdzekli, kurš izveidots kā radiators ar ūdens caurteci vai bez caurteces (Fig. 1 nav attēlots).A schematic diagram of one embodiment of the proposed electromagnetic light transducer in electrical energy is, but is not limited to, FIG. 1 and comprising a monocrystalline silicon wafer 1 with a photosensitive layer in the form of a surface pn or np transition 2 disposed at a depth of 180-220 nm from the anterior surface of a single crystalline silicon wafer 1 and metal (gold or silver) nanoparticles 3 (Fig.1. the dashed line shows their insertion point), which is inserted into the single crystalline silicon wafer 1 at a depth of 80-120 nm from its front face. The metal particle size is 5-15 nm, but the distance between them is 800-1000 nm. On the front surface of the single crystalline silicon wafer 1 is placed a cathode 4 which is formed in the form of a silver comb. On the back surface of the single crystalline silicon plate 1 is placed a metal anode 5 of silver which completely covers the back surface of the single crystalline silicon plate 1. The transducer of electromagnetic light radiation into electric energy may be provided with a refrigerant which is designed as a radiator with or without water passage (Fig. 1 not shown).

Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā darbībaOperation of electromagnetic light transducer in electric energy

Elektromagnētiskais gaismas starojums ar viļņu garumu no infrasarkanā starojuma līdz ultravioletajam starojumam krīt uz elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā priekšējās virsmas. Monokristāliskās silīcija plāksnes 1 priekšpuses virsma absorbē elektromagnētiskā gaismas starojumu, kurš, izejot caur difrakcijas režģi, kuru veido ievadītās metāla nanodaļiņas, veido difrakcijas starus, kuri ir absorbētā elektromagnētiskā gaismas starojuma enerģijas nesēji. Elektromagnētiskā gaismas starojuma difrakcijas stari silīcija monokristālā kristāliskajā struktūrā savstarpēji interfere, veidojot elektromagnētiskā gaismas starojuma interferernces viļņus ar svārstību minimālajām un maksimālajām amplitūdām, un krīt uz p-n vai n-p pārejas 2 veidā izveidoto gaismas jutīgo slāni, kurš novietots fokālajā plaknē difrakcijas režģim, kuru veido ievadītās metāla nanodaļiņas 3, kā rezultātā strauji pieaug elektriskā lādiņa nesēju koncentrācija p-n vai n-p pārejas 2 vadītspējas zonā. Tādējādi tiek nodrošināta elektromagnētiskā gaismas starojuma augsti efektīva pārveidošana elektriskajā enerģijā. Elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotājam elektriskajā enerģijā ilgstoši darbojoties, notiek tā sasilšana. Lai to novērstu, elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāju elektriskajā enerģijā dzesē, izmantojot radiatoru ar caurteci vai bez caurteces.The wavelength of electromagnetic light from infrared to ultraviolet radiation falls on the front surface of the electromagnetic light converter into electrical energy. The front surface of the monocrystalline silicon wafer 1 absorbs electromagnetic light radiation which, when passing through a diffraction grid formed by the metal nanoparticles introduced, produces diffraction beams which are the energy carriers of the absorbed electromagnetic light radiation. The diffraction beams of electromagnetic light in a silicon crystalline crystal structure interfere with each other to form electromagnetic light interference waves with minimum and maximum oscillations and fall on a pn or np transition 2 light-sensitive layer formed in a focal plane diffraction pattern nanoparticles 3, resulting in a rapid increase in the electrical charge carrier concentration in the pn or np transition 2 conductivity region. This ensures a highly efficient conversion of electromagnetic light radiation into electrical energy. The electromagnetic light converter converts into electric energy during continuous operation and is heated. To prevent this, the electromagnetic light transducer is cooled to electrical energy by a flow-through or non-flow-through radiator.

Piedāvātā elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidotāja elektriskajā enerģijā, kurš izveidots uz monokristāliskā silīcija ar absorbējošās virsmas orientācijas, kuras kristalogrāfiskais apzīmējums ir [100], bāzes, izmēģinājumu rezultāti parādīja, ka, apstarojot to ar elektromagnētisko gaismas starojumu infrasarkanā viļņu garuma diapazonā, izejas spriegums sastādīja 0,32 V, bet strāva 0,8 А/cm² pie tilpuma pretestības 0,4 Ω. Izejas jauda no viena kvadrātcentimetra sastāda 0,255 W.The results of experiments on the electric energy of the proposed electromagnetic light transducer based on monocrystalline silicon with an absorbent surface orientation having the crystallographic designation [100] showed that when irradiated with electromagnetic light in the infrared wavelength range, the output voltage was 0, 32 V but with a current of 0.8 А / cm ² at a volume impedance of 0.4 Ω. The output power is 0.255W per square centimeter.

Apstarojot šo paraugu ar elektromagnētisko gaismas viļņu garuma diapazonā no infrasarkanā starojuma līdz ultravioletajam starojumam, izejas spriegums sastādīja 0,85 V, strāva 2,1 А/cm², bet elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas koeficients elektriskajā enerģijā sasniedza 85 %. Izmēģinājumi arī nodemonstrēja elektromagnētiskā gaismas starojuma pārveidošanas elektriskajā enerģijā augstu efektivitāti pie vājiem apgaismojuma līmeņiem.By irradiating this sample with electromagnetic light in the wavelength range from infrared to ultraviolet radiation, the output voltage was 0.85 V, the current was 2.1 А / cm ² , and the conversion factor of electromagnetic light into electric energy reached 85%. The experiments also demonstrated the high efficiency of converting electromagnetic light radiation into electrical energy at low light levels.

Claims

A transducer of electromagnetic light radiation into electric energy comprising a monocrystalline silicon wafer (1) having a light sensitive layer in the form of a surface pn or np transition (2) disposed on the front of the monocrystalline silicon wafer (1), cathode (4), anode (5). and metal nanoparticles (3), characterized in that the pn or np transition (2) is located at a depth of 180-220 nm from the front surface of the monocrystalline silicon wafer (1) and the metal nanoparticles (3) are introduced into the monocrystalline silicon wafer (1) ) At a depth of 80-120 nm from its front face.

Transducer according to claim 1, characterized in that metallic nanoparticles (3) of silver or gold are introduced into the single crystalline silicon wafer (1).

Transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the metal nanoparticles (3) have a size of 5-15 nm and a distance between them of 8001000 nm.

Transducer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the metal nanoparticles (3) are introduced into the monocrystalline silicon wafer (1) such that they form a diffraction grating within the silicon monocrystalline.

A converter according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is provided with a refrigerant.