RU2788972C2

RU2788972C2 - Термоэлектрический преобразователь на основе нерегулярной твердотельной сверхрешетки

Info

Publication number: RU2788972C2
Application number: RU2021108647A
Authority: RU
Inventors: Олег Дмитриевич Гурин; Владимир Геннадьевич Попов
Original assignee: Олег Дмитриевич Гурин; Владимир Геннадьевич Попов
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Изобретение относится к термоэлектрическим преобразователям. Технический результат: повышение эффективности преобразования энергии. Сущность: термоэлектрический преобразователь содержит рабочую область, выполненную в виде многослойной нерегулярной сверхрешетки на основе гетероструктуры проводник-диэлектрик, содержащей проводящие слои квантовых ям и диэлектрические барьерные слои, разделяющие слои квантовых ям. Материал барьерных слоев и толщины слоев квантовых ям подобраны с обеспечением проводимости сверхрешетки в поперечном направлении, при которой основные квантовые уровни носителей заряда находятся в резонансе, с обеспечением снижения фононной части теплопроводности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное решение относится к термоэлектрическим преобразователям, в частности к конструкции устройства на основе нерегулярной твердотельной сверхрешетки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Термоэлектрические преобразователи на сверхрешетке работают на основе эффекта Зеебека, который описывает возникновение электрического тока в проводнике с градиентом температуры. Формула Зеебека представлена уравнением (1).

В которой j - плотность электрического тока, Т - температура, κ - коэффициент Зеебека, знак «+» - соответствует ситуации, когда в электропроводимости участвуют отрицательно-заряженные частицы, знак «-» - когда заряд частиц положительный.

В данной области можно выделить ряд источников, описывающих различные принципы создания термоэлектрических преобразователей.

В заявке US 20130247951 A1 (UniversityofOklahoma, 26.09.2013) рассматривается сверхрешетка, созданная на основе гетероструктур PbSe/PbSrSe двух типов, сочетающая тонкие слои полупроводников разной кристаллической ориентации. В этом слугечае при транспорте электронных носителей ожидается поток фононов от холодного контакта к горячему за счет чего и уменьшается поток тепла, переносимый фононами.

При этом в данном решении не достигается повышение подвижности носителей тока и уменьшения подвижности фононов, что снижает эффективность выходной энергии и снижения коэффициента Зеебека. Это обусловлено тем, что необходима хорошая подвижность фононов, чтобы уменьшать поток тепла. Кроме того, уменьшение этого потока достигается за счет перекачки энергии носителей электрического тока, то есть за счет уменьшения тока, что уменьшает коэффициент Зеебека.

Сверхрешетки зачастую использовались при латеральном подключении (патент US 6,452,206 В1), когда горячий и холодный контакт подключается на разных концах в плоскостях слоев, то есть слои подключались параллельно. В этом случае удается использовать хорошую электрическую проводимость носителей тока для повышения коэффициента Зеебека и коэффициента полезного действия (ZT) термоэлектрического преобразователя, но следует отметить, что проводимость тепла фононами также оставалась высокой при таком подключении. Существуют также патенты с использованием эффекта Пельтье на основе р-n переходов (патент JP 6609109 В2, заявка US 2011/0062420 А1), однако, но термоэлектрические преобразователи на этом эффекте обычно не учитывают эффект Зеебека и работают на другом принципе.

Таким образом, существенным недостатком известных решений из уровня техники является низкая подвижность носителей тока и уменьшения подвижности фононов, что снижает эффект Зеебека и приводит к потери эффективности термоэлектрического преобразования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленное изобретение решает техническую проблему, присущую известным решениям из уровня техники, за счет создания нового вида термоэлектрического преобразователя.

Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования энергии и повышении КПД, за счет повышения эффекта Зеебека, что обусловлено применением нерегулярной сверхрешетки на основе гетероструктуры проводник-диэлектрик, при которой основные квантовые уровни носителей заряда находятся в резонансе.

Технический результат достигается за счет конструкции термоэлектрического преобразователя, содержащего рабочую область, выполненную в виде многослойной нерегулярной сверхрешетки на основе гетероструктуры проводник-диэлектрик, содержащей проводящие слои квантовых ям и диэлектрические, барьерные слои, разделяющие слои квантовых ям, при этом материал барьерных слоев и толщины слоев квантовых ям подобраны с обеспечением проводимости сверхрешетки в поперечном направлении, при которой основные квантовые уровни носителей заряда находятся в резонансе, с обеспечением снижения фононной части теплопроводности.

В одном из частных примеров реализации материал барьерных слоев и слоев квантовых ям представляет собой соединения GaAs и/или AlxGal-xAs.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 иллюстрирует способ и схему использования термоэлектрического преобразователя на основе нерегулярной сверхрешетки.

Фиг. 2 иллюстрирует энергетическую диаграмму зоны проводимости твердотельной сверхрешетки.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 представлен предлагаемый термоэлектрический преобразователь (3) на основе нерегулярной сверхрешетки и схема его подключения (10), в которой: (1) нагретое тело или тепловой резервуар с температурой T₁; (2) холодное тело или тепловой резервуар с температурой Т₂ (T₁>Т₂); (3) - термоэлектрический преобразователь, состоящий из диэлектрических барьерных слоев и разделяющих слои квантовых ям; (4) потребитель электричества.

На основе эффекта Зеебека уже предложены и эксплуатируются термоэлектрические преобразователи и основной проблемой этих преобразователей является малая величина коэффициента к. Малой эта величина может являться по следующим причинам. Одна из них - внутренний перепад температуры материала преобразователя, может значительно отличаться от разницы температур подключенных тепловых резервуаров (1, 2), представленных на Фиг. 1, что означает большую величину теплопроводности проводящего материала, по сравнению с теплопроводностью контактов. В качестве тепловых резервуаров могут использоваться как нагревающие, охлаждающие элементы, так и жидкости, среды размещения, излучение и т.п., позволяющие получить требуемые величины температур для каждого резервуара (1) и (2), обеспечивая тем самым функционирование устройства (10).

Вторая проблема - в случае полупроводниковых материалов в проводимости участвуют не только электроны, но и дырки, имеющие положительный заряд, электрический ток в сумме становится очень малым. В связи с этим для значительной величины лгнеобходим материал, в котором теплопроводность невелика и проводимость осуществляется только одним типом заряда.

Теплопроводность при высоких температурах Т>100 К в металлах и полупроводниках определяется переносом фононов - квантов акустических колебаний в материале. Таким образом, необходим материал, в котором перенос фононов затруднен, а перенос электрических носителей упрощен. В качестве такого материала предлагается использовать твердотельную нерегулярную сверхрешетку с резонансом квантовых уровней электронов. Сверхрешетка представляет собой сочетание хорошо проводящих слоев материала, в которых реализуется эффект размерного квантования для электронов, т.е. квантовых ям. Слои квантовых ям разделены тонкими диэлектрическими слоями, такими что эффект проникновения электронов через них, или эффект туннелирования достаточно велик, что позволяет электронам свободно перемещаться по сверхрешетке в следствие эффекта резонансного туннелирования. Для достижения этого эффекта материалы диэлектрических слоев (3) и толщины материалов квантовых ям выбираются таким образом, чтобы основные квантовые уровни электронов находились в резонансе, т.е. совпадали по энергии Е₀, как это показано на Фиг. 2. В тоже время разные материалы и толщины слоев способствуют локализации фононов в структуре и уменьшению ее теплопроводности за счет снижения фононной части теплопроводности.

Сверхрешетки на сегодняшний день создаются методами газо-фазной и молекулярно-пучковой эпитаксии [1]. При этом толщины получаемых слоев могут достигать величин близких к толщинам атомарных кристаллических слоев, то есть несколько ангстрем (10"¹⁰м). При создании таких тонких слоев используют металлы, полупроводники и диэлектрики. При этом важно так подобрать состав этих материалов, чтобы параметры их кристаллических решеток были приблизительно одинаковы. Это необходимо для стабильного кристаллического роста сверхрешетки.

Особенность и перспективы использования сверхрешеток основана на резонансном характере туннелирования носителей тока, возникающем между квантовыми ямами, когда квантовые уровни в этих ямах совпадают по энергии. Резонансное туннелирование довольно быстрый процесс переноса носителей тока, что позволяет создавать сверхбыстрые полупроводниковые приборы с частотой работы в несколько терагерц [2, 3]. Обычно сверхрешетки реализуют как повторяемый набор одинаковых квантовых ям и барьеров, но резонансное туннелирование возможно и между ямами разной ширины и глубины, поскольку для его осуществления необходимо лишь условие совпадения по энергии квантовых уровней в ямах.

В заявленном устройстве (10) может применяться гетероструктура, например, на основе переходов типа

Как упомянуто в монографии [1] данный гетеропереход является изопериодичным (оба полупроводника имеют одинаковые постоянные решетки) в широком диапазоне значений молярных долей х и у. Это означает что создание сверхрешеток с нерегулярной вариацией хиутехнологически допустимо. Что касается потенциального профиля сверхрешетки, то он возникает вследствие изменения ширины запрещенной зоны тройного сплава

с изменением молярной доли х. Для создания таких можно так же использовать четверные сплавы полупроводников. При этом полупроводники с большой шириной запрещенной зоны будут выполнять роль диэлектриков и из них могут формироваться барьерные слои (3), а полупроводниковые слои с меньшей шириной запрещенной зоны дополнительно подвергать легированию для формирования квантовых ям с носителями заряда, создавая высокую проводимость слоев. С развитием технологии кристаллического роста пленок обнаруживают и другие соединения, которые можно использовать для реализации такого преобразователя. С точки зрения фононов нерегулярная сверхрешетка становится слабо прозрачной, поскольку акустические фононы становятся локализованными и имеющими разные энергии. Локализованные моды для разных типов акустических мод фононов рассматривались в гетероструктурах с квантовыми ямами в монографии [4], где было показано, что энергии этих мод зависят от толщин слоев. Таким образом, варьируя толщины слоев, можно значительно разнести эти моды по энергии, затрудняя распространение фононов.

Заявленное устройство (3) может иметь широкий спектр применений в зависимости от его использования для обеспечения выработки электроэнергии. В качестве потребителя электричества (4) могут выступать различные устройства, например, носимые человеком устройства, сенсоры, датчики и прочее.

Представленные описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.

Список литературы

1. Б.А. Джойс, Р. Хекингботтом, У. Менх, и др. «Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры». - Под ред. Л. Ченга, К. Плога. Пер. с англ. под ред. Ж.И. Алферова, Ю.В. Шмарцева. - Москва: Мир, (1989).

2. Н. Mizuta and Т. Tanoue, "The Physics and Applications of Resonant Tunneling Diodes" (Cambridge Univ. Press, Cambridge), 1995.

3. B.S. Williams, "Teraherz quantum-cascade lasers", Nature photonics, 1, p. 517 (2007).

4. M. Строшио, M. Дутта. «Фононы в наноструктурах». М.: ФИЗМАТЛИТ (2006).

Claims

1. Термоэлектрический преобразователь, содержащий рабочую область, выполненную в виде многослойной нерегулярной сверхрешетки на основе гетероструктуры проводник-диэлектрик, содержащей проводящие слои квантовых ям и диэлектрические барьерные слои, разделяющие слои квантовых ям, при этом материал барьерных слоев и толщины слоев квантовых ям обеспечивают проводимость сверхрешетки в поперечном направлении, при которой основные квантовые уровни носителей заряда находятся в резонансе, с обеспечением снижения фононной части теплопроводности.

2. Термоэлектрический преобразователь по п.1, в котором материал барьерных слоев и слоев квантовых ям представляет собой соединения GaAs и/или Al_xGa_1-xAs.