WO2009126056A1 - Преобразователь электромагнитного излучения - Google Patents

Преобразователь электромагнитного излучения Download PDF

Info

Publication number
WO2009126056A1
WO2009126056A1 PCT/RU2008/000076 RU2008000076W WO2009126056A1 WO 2009126056 A1 WO2009126056 A1 WO 2009126056A1 RU 2008000076 W RU2008000076 W RU 2008000076W WO 2009126056 A1 WO2009126056 A1 WO 2009126056A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanoparticles
layer
converter according
retaining
converter
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000076
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Евгеньевич Проценко
Виктор Моисеевич РУДОЙ
Олег Антонович Займидорога
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"
Priority to PCT/RU2008/000076 priority Critical patent/WO2009126056A1/ru
Priority to EP08779150A priority patent/EP2139045A4/en
Priority to US12/348,982 priority patent/US20090255579A1/en
Publication of WO2009126056A1 publication Critical patent/WO2009126056A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/02168—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties for the solar cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to energy converters of electromagnetic radiation into electrical energy and can be used in the production of solar cells.
  • a photocell [1] is known in particular, including an inorganic semiconductor, an organic polymer doped with antimony pentachloride, and a translucent gold layer.
  • the disadvantage of this photocell is low efficiency, reaching a maximum of only 1, 2%.
  • a photocell [2] is also known, which consists of a metal plate deposited on this plate with a photosensitive layer containing a p-type semiconductor layer and a layer of poly- ⁇ -epoxypropylcarbazole doped with SbCl 5 and a translucent gold film.
  • the disadvantage of this photocell is also not a high efficiency of the converter of energy of electromagnetic light radiation into electrical energy, which does not exceed 3.2%.
  • a solar cell [4,5] made on the basis of an organic semiconductor material, in which, to increase the efficiency, it is proposed to introduce metal nanoparticles at the pn junction boundary of the organic photosensitive element and use the concentration of the electromagnetic field near the nanoparticles to increase the efficiency of the solar cell.
  • the closest in technical essence to the claimed one is the electromagnetic radiation converter, known from [6], which is a two-stage solar battery comprising two pn junctions, each of which is formed by two layers of organic materials of p and p type, and the pn junctions are located sequentially, one below the other, and at their junction there is a monolayer of metal nanoparticles with a diameter of 10 nanometers.
  • the main role of the nanoparticle layer is well known - to ensure the recombination of electrons and holes coming to them from the upper and lower pn junctions or, in other words, to prevent the accumulation of charge in the pn junctions, which could block the operation of a multistage photocell (see [7 ], [8] as well as article [9] based on the materials of which the application was compiled [6]).
  • the essence of the invention [6] is to use an increase in the intensity of the electromagnetic field near a layer of metal nanoparticles at a wavelength that excites localized plasmon resonance of particles (see paragraphs [0025] and [0071] of application [6]), which can lead to a small (about 15 % - see paragraph [0077] of application [6]) increase in efficiency photocurrent generation.
  • the objective of the present invention is to provide an electromagnetic radiation converter having an efficiency of 1.5-2 times higher than the efficiency of traditional photocells, for example, based on silicon or gallium arsenide, and allowing its implementation by modifying existing photocells to increase their efficiency.
  • the electromagnetic radiation transducer containing at least one photosensitive layer, which ensures the generation of a photocurrent by absorbing electromagnetic radiation, as well as current-collecting electrodes, according to the invention, additionally contains metal nanoparticles with a size of the order of or less than the wavelength at the maximum of the incident radiation spectrum, providing concentration of the incident radiation in the near zone near the nanoparticles and the generation of a photocurrent upon absorption of the specified radiation.
  • said metal nanoparticles are located on the front, perceiving incident electromagnetic radiation, transducer sides.
  • nanoparticles can be located on the surface, or inside the retaining layer deposited on the front, perceiving incident electromagnetic radiation, the surface, and the specified retaining layer may be a layer of a dielectric or semiconductor.
  • said nanoparticles can be located on the surface of the retaining layer deposited on the front, receiving the incident electromagnetic radiation, the surface and coated with a second retaining layer deposited on top of the first retaining layer.
  • at least one of these retaining layers may be a dielectric or semiconductor layer.
  • said nanoparticles are located on the rear side of the transducer, opposite to the side receiving the incident electromagnetic radiation.
  • nanoparticles can be located on the surface or inside the retaining layer deposited on the rear surface of the Converter, and the specified retaining layer may be a layer of a dielectric or semiconductor.
  • said nanoparticles may be located on the surface of a retaining layer deposited on the back surface of the transducer and coated with a second retaining layer deposited on top of the first retaining layer, wherein at least one of said retaining layers is preferably a dielectric or semiconductor layer.
  • the transducer comprises at least two photosensitive layers, and between at least two of said the photosensitive layers have a layer holding these metal nanoparticles.
  • Voltage can be applied to the collector electrodes from an external source, then the converter is used, including as a photodetector.
  • the concentration of nanoparticles within the retaining layers is (l ⁇ 75) / 100 volume fractions.
  • the surface density of the nanoparticles on the surface of the retaining layer is equal to (l ⁇ 75) / 100 volume fractions.
  • At least one photosensitive layer contains metal nanoparticles.
  • a layer is understood to mean a three-dimensional structure that has at least one common characteristic at any point or cross-section (including the execution of one material, the presence of a single function, property, etc.), and which in this case, it can be isolated from surrounding structures (including layers) physically and / or functionally.
  • the layer can be made of one or several materials, be continuous (including performed in the form of a layer), with exceptions (for example, holes), or consist of a combination of nanocrystals or three-dimensional “isolation” from one another structures, which nevertheless possess at least one common property, can be separated from the surrounding structures physically or functionally and therefore are defined and considered as a layer in the framework of the invention.
  • a photosensitive layer should be understood to mean a layer in which, upon absorption of electromagnetic radiation, a photocurrent is captured by current collector electrodes, for example, a p layer or p layer or a combination of p and p layers located in series (i.e., layers with hole conductivity and electronic conductivity respectively).
  • the photosensitive layer according to the invention is preferably made of solid semiconductor materials, for example, in the form of single-crystal or polycrystalline structures or a combination of nanocrystals, including the formation of pn junctions in this set.
  • the front surface on which one or more retaining layers can be applied, will be understood as the surface of the transducer, directly perceiving incident electromagnetic radiation in the absence of these retaining layers.
  • the back will mean the surface of the transducer, the opposite of the front, in the absence of retaining layers.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the claimed converter in one of its preferred cases (in cross section);
  • FIG. 2 is a graph of the relative increase in the density of the photocurrent that occurs when the absorption of solar radiation in the photosensitive layer of the claimed Converter, the thickness of this layer;
  • FIG. 4 is a spectrum of a given incident electromagnetic radiation, which is reradiated by a layer of spherical silver nanoparticles as shown in Fig.Z;
  • FIG.6 figure 5 - radiation spectra of individual silver nanoparticles in the example also shown in Fig.3 and 4.
  • Fig.6 - distribution of electrostatic fields in a photosensitive layer and in a dielectric holding layer with nanoparticles (left) and a diagram explaining the generation of a photocurrent near a nanoparticle and in a photosensitive layer (right).
  • the converter in the described specific case of its implementation contains a metal contact (electrode) 1 and a substrate 2.
  • a photosensitive layer 3 in which the photocurrent is generated when the incident electromagnetic radiation is absorbed due to the presence in the layer 3 of at least one pn junction. The generation of the photocurrent can partially occur in the substrate 2, while the nonequilibrium photoinduced carriers diffuse to the solid contact 1 and the strip contacts 5.
  • strip electric contacts 5 On the front surface of the converter, formed by the surface of the layer 3 facing the external electromagnetic field 7, are strip electric contacts 5, instead of which others particular cases of carrying out the invention, solid or non-continuous (discontinuous) transparent conductive layers (for example, a mixed oxide layer may be used) indium and tin (ITO)).
  • ITO indium and tin
  • the main difference between the claimed converter and photocells known in the prior art is an increase in the photocurrent density and, as a consequence, the efficiency due to two mechanisms that work together in the photocurrent generation stages of the claimed converter.
  • the first cascade is a photosensitive layer 3
  • the second cascade is a transparent holding dielectric layer 4 with metal particles 6 placed in it (see Fig. 1.6).
  • more than two stages of photocurrent generation are possible (due to an increase in the number of photosensitive and / or retaining layers).
  • the first mechanism for increasing the density of the generated photocurrent is associated with the "concentration" of nanoparticles 6 of the external electromagnetic field (EMF) 7.
  • Metal nanoparticles 6 absorb and reemit the external EMF 7 of a given spectrum.
  • the metal of particles 6 and the material of the retaining layer 4, in which particles 6 are placed, are selected so that the maximum spectrum of the external EMF 7 corresponds to the maximum absorption of EMF by nanoparticles 6 and is close to the localized plasmon resonance (LPR) of nanoparticles 6. Since the size of nanoparticles 6 according to the invention does not exceed the characteristic wavelength of the incident electromagnetic radiation, nanoparticles 6 emit as dipoles, therefore, EMF scattering by nanoparticles 6 is absent.
  • LPR localized plasmon resonance
  • the optimal thickness of the photosensitive layer 3, where EMF is concentrated by nanoparticles 6, is 100 - 200 nm, a more accurate value is determined from experiments and by numerical calculations for the specific implementation of the proposed photocell and depends on the material and shape of the nanoparticles and the refractive indices of layers 3 and 4.
  • the concentration of broadband EMF (such as the EMF of the solar spectrum) is possible because the LPR spectrum of nanoparticles 6 interacting with each other through the near EMF is inhomogeneously broadened, i.e. consists of a large number of bands shifted relative to each other and overlapping the spectrum of a given incident EMF.
  • the density of the photocurrent in the first cascade (layer 3) of the proposed transducer is proportional to the energy density of the 6 emfs reradiated by nanoparticles, i.e. it exceeds the density of the generated photocurrent in a similar photocell without nanoparticles by so many times how many times the energy densities of the incident and reradiated fields differ.
  • FIG. 2 A factor for increasing the photocurrent depending on the depth h of the photosensitive layer 3 is shown in FIG. 2.
  • Silver 6 nanoparticles were located at a distance of 5 nm from the photosensitive layer 3. At a broadband incident electromagnetic radiation of 10 mW, a photocurrent of about 0.2 mA was observed for silicon without nanoparticles and 0.55 mA in the presence of silver nanoparticles.
  • the structure of the pn junction — silver nanoparticles is equivalent to the pn – n junction (two “co-directional” diodes), the combined action of which, together with the concentration of EMF by nanoparticles, led to an increase in photocurrent compared to the case of the pn junction on silicon without nanoparticles.
  • FIG. 3 shows the spectra of absorbed and re-radiated electromagnetic radiation nanoparticles 6 in the design of the Converter shown in Fig.l.
  • the width and maximum (650 nm) of the absorption and reradiation spectrum of the monolayer of metal nanoparticles 6 turn out to be close to the corresponding values of the spectrum of incident radiation simulating the solar spectrum (Fig. 4,6) at a surface density of nanoparticles of 6 0.35, which is sufficient for an effective dipole dipole interaction of nanoparticles 6 with each other.
  • the maximum absorption spectrum and reradiation of a monolayer of nanoparticles shifts to the red side if instead of spherical nanoparticles we take ellipsoidal nanoparticles (from the same material) with large semiaxes lying in the plane of the monolayer of nanoparticles.
  • the concentration of broadband EMF by nanoparticles leads to approximately a 1.5-fold increase in the density of the generated photocurrent at a depth of 150 nm, which is estimated to be the effective depth of the pn junction of silicon photocells used in experiment.
  • An additional increase in the photocurrent density which leads, as a result, to its increase in the experiment from 0.2 mA to 0.55 mA, arises due to the second mechanism.
  • the second mechanism for increasing the photocurrent generation in the proposed converter is associated with the efficient generation of the photocurrent by the metal nanoparticles 6 themselves, when they interact with the environment in the second cascade of the photocell (in the retaining layer 4), which is possible, including due to strong local electrostatic fields existing near nanoparticles 6. It is significant that the generation of a photocurrent involving nanoparticles 6 occurs near their surfaces, i.e. exactly where the nanoparticles most efficiently concentrate EMF.
  • the near-surface volume of the photosensitive layer 3 (for example, the pn junction in a silicon photocell), where the photocurrent is generated, turns out to be charged due to the separation of free carriers by the internal electrostatic fields of layer 3.
  • the free carriers of layer 3 are separated as shown in Fig.6, in which the additional positions denote: Ia, Ib are the spatially separated charges of the photosensitive layer, 2a is the positive charge of the nanoparticle, e and + e are photoinduced carriers, respectively etstvenno, electrons and holes, and the dotted circle represents the area of the electromagnetic field 6 nanoparticle concentration.
  • Metal nanoparticles 6 of layer 4 are preferably placed at a small distance (several nm) from the charged volume of layer 3, so conduction electrons can tunnel through a thin dielectric layer 4 (PVP in the described example), which separates particle 6 from layer 3.
  • PVP thin dielectric layer 4
  • E (x) the force acting on a unit positive charge
  • Local fields near nanoparticles 6 differ from that shown in Fig.6.
  • the electrostatic fields inside the nanoparticles 6 are close to O, and near the nanoparticles 6 they significantly exceed the average field E (x) indicated in FIG. 6. Since the local electrostatic field near nanoparticle 6 is induced by charges of the photosensitive layer 3 concentrated near the nanoparticle, this field turns out to be of the order of or greater than the internal field in layer 3 (for example, at the pn junction), which is very large. Strong local fields near the nanoparticles contribute to the efficient separation of photoinduced carriers, similar to how this occurs in the region of the Schottky barrier [12], thereby increasing the efficiency of photocurrent generation.
  • the photosensitive layer 3 is a semiconductor
  • the nanoparticle 6 near the surface of the semiconductor forms a semiconductor-metal (PM) or semiconductor-dielectric-metal (PDM) transition where, as in the pn junctions, strong internal electrostatic fields of a double layer of charges [13]. These fields are effectively separated by carriers that are photo-induced when EMF is absorbed by nanoparticles 6.
  • the photosensitive layer 3 is a semiconductor and the contribution of electronic states on the contact surface of layers 3 and 4 is insignificant, then the work function for the electrons of the nanoparticle should be less (more) than that of the adjacent semiconductor if this region is of p (p) type, as is the case in experiments with silver nanoparticles on silicon (see above).
  • the work function of an electron from a metal nanoparticle 6 located in a strong electrostatic field is significantly reduced compared to the usual work function of an electron (hole) from the corresponding metal [12]. This facilitates the release of photoinduced of carriers outside the nanoparticle and leads to an additional increase in photocurrent generation upon absorption of EMF by nanoparticles 6.
  • the size of nanoparticle 6 is preferably selected smaller than the mean free path of electrons in the metal (several hundred nm), as a result of which the probability of reaching the surface of nanoparticle 6 increases for photoinduced beyond and to contribute to the photocurrent.
  • the generation of the photocurrent in the proposed photocell is carried out not only in the region of the photosensitive layer 3, as in the known photocells, but also inside the nanoparticles 6 and near their surfaces, i.e. exactly where the nanoparticles are especially effective in concentrating the electromagnetic field, in addition to the EMF concentration region (limited by the dashed circle in Fig. 6) in the photosensitive layer 3.
  • the set of photocurrent generation regions localized near the nanoparticles (such as, for example, at PM or PDM junctions, if the photosensitive layer 3 is a semiconductor), it forms a second “heterogeneous” cascade of photocurrent generation in addition to the cascade formed by the photosensitive layer 3.
  • simultaneous action of two mechanisms described resulted in increased efficiency of the converter is more than 2 times.
  • a dielectric holding layer containing metal nanoparticles can be applied in the form of a film to the front or back surface of a silicon photocell.
  • Nanoparticles can also be located on the surface of a dielectric layer in air or on the surface of one dielectric retaining layer, but can be closed on top with a layer of another or the same dielectric.
  • semiconductors to form a retaining layer is not ruled out.
  • the choice of the side of the Converter for the location of the layer of nanoparticles depends mainly on the thickness of the photosensitive layer.
  • Another preferred embodiment of the invention may be the placement of a layer of nanoparticles between two photosensitive layers.
  • this option is preferably used in the manufacture of new converters and not for the modernization of existing ones.
  • a standard semiconductor wafer for example, p-type
  • a continuous metal contact is applied to the other side of the p-type plate, for example, by vacuum deposition.
  • strip metal contacts and then a monomolecular polymer layer onto which metal nanoparticles are deposited can be applied to the side of the plate doped with a p-type impurity.
  • Striped metal contacts can also be applied not to a silicon wafer, but to a polymer layer with nanoparticles.
  • a p-type semiconductor layer can be sprayed, doped further with p-type impurities, followed by the application of conductive contacts to the doped surface. So thus, a layer of nanoparticles is placed between two photosensitive layers.
  • the converter may also contain three or more photosensitive layers, and between two adjacent photosensitive layers, if necessary, a retaining layer with nanoparticles can be placed.
  • the specialist understands that other special cases of the implementation of the claimed invention are also possible - in particular, depending on the required refractive index of the retaining layer 4, it may be made of a semiconductor material; the converter can be equipped with several retaining layers with nanoparticles, which can be located both on the front side and on the back, and possibly also (in addition to the front and back layers) - between the photosensitive layers; on the back of the transducer, the retaining layer can be applied both over the electrode 1, and directly over the substrate 2, followed by applying the electrode 1 over the retaining layer.
  • the retaining layer can be applied both over the electrode 1, and directly over the substrate 2, followed by applying the electrode 1 over the retaining layer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов. Преобразователь по изобретению содержит по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды. При этом преобразователь также содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрацию падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения. В результате обеспечивается усиление фототока и повышение КПД преобразователя.

Description

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.
В настоящее время известно сравнительно большое число промышленно выпускаемых устройств для преобразования энергии электромагнитного излучения (далее по тексту также «фoтoэлeмeнт»), однако до сих пор основной проблемой по существу всех устройств такого типа является невысокий коэффициент их полезного действия (КПД).
Известен, в частности, фотоэлемент [1], включающий неорганический полупроводник, органический полимер, легированный пентахлоридом сурьмы, и полупрозрачный слой золота. Недостатком указанного фотоэлемента является низкий КПД, достигающий в максимуме лишь 1 ,2%.
Известен также фотоэлемент [2], который состоит из металлической пластины, нанесенного на эту пластину фоточувствительного слоя, содержащего слой полупроводника п-типа и слой поли-ε- эпоксипропилкарбазола, легированного SbCl5, и полупрозрачную пленку золота. Недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно высокий КПД преобразователя энергии электромагнитного светового излучения в электрическую энергию, который не превышает 3,2%.
Известен также метод повышения КПД промышленных фотоэлементов [3], в котором предлагается наносить на поверхность последних покрытие, обеспечивающее преобразование синей и ультрафиолетовой части спектра электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент, в длинноволновую область, эффективность преобразования излучения в которой в твердотельных приборах выше (л.20-25 cтp.8 и последний абзац стр.l [3]). Кроме того, в известном методе достигается хорошая направленность преобразованного излучения (л.35-40 cтp.6 [3]). Эти эффекты достигаются совокупностью различных 4MeP, одна из которых - использование (неметаллических) нанокристаллов с квантоворазмерными эффектами (последний абзац cтp.2 - первый стр.З [3]). Идею модернизации уже существующих преобразователей электромагнитного излучения вместо изготовления новых следует признать в целом удачной и эффективной, однако недостатком известного метода является сравнительная сложность предлагаемого решения, которая может приводить к усложнению технологии производства и, соответственно, повышению стоимости фотоэлементов.
Известен также фотоэлемент [4,5], выполненный на основе органического полупроводникового материала, в котором для повышения КПД предлагается внедрить металлические наночастицы на границу р-п перехода органического фоточувствительного элемента и использовать концентрирование электромагнитного поля вблизи наночастиц для повышения эффективности фотоэлемента. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является преобразователь электромагнитного излучения, известный из [6], представляющий собой двухкаскадную солнечную батарею, включающую два р-п перехода, каждый из которых сформирован двумя слоями органических материалов р и п типа, причем р-п переходы располагаются последовательно, один под другим, а в месте их соединения имеется монослой металлических наночастиц диаметром 10 нанометров. Основная роль слоя наночастиц хорошо известна - обеспечивать рекомбинацию электронов и дырок, поступающих на них с верхнего и нижнего р-п переходов или, иными словами, предотвратить накопление в р-п переходах заряда, который мог бы блокировать работу многокаскадного фотоэлемента (см. [7], [8] а также статью [9] по материалам которой составлена заявка [6]). Сущность изобретения [6] состоит в использовании увеличения интенсивности электромагнитного поля около слоя металлических наночастиц на длине волны, возбуждающей локализованный плазмонный резонанс частиц (см. абзацы [0025] и [0071] заявки [6]), что может привести к небольшому (порядка 15% - см. абзац [0077] заявки [6]) увеличению эффективности генерации фототока.
Основные недостатки фотоэлементов [4-6] обусловлены их конструкцией и используемыми материалами. Следует отметить, что из-за использования органических полупроводников органические фотоэлементы характеризуются изначально меньшими значениями КПД в сравнении с традиционными твердотельными, например, выполненными на основе кремния или арсенида галлия, а основным их преимуществом является сравнительно невысокая стоимость по сравнению с кремниевыми. Увеличение КПД органического фотоэлемента даже на 15% не приводит к кардинальному повышению эффективности преобразователей. Кроме того, в известных решениях предлагается внедрять наночастицы в толщу органического полупроводника, в результате чего, например, известные решения не могут быть использованы при модернизации существующих фотоэлементов. Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя электромагнитного излучения, имеющего КПД в 1,5-2 раза выше КПД традиционных фотоэлементов, например, на основе кремния или арсенида галлия, и допускающего его реализацию путем модификации существующих фотоэлементов для повышения их эффективности. Указанная задача решается тем, что преобразователь электромагнитного излyчeния,coдepжaщий по крайней мере один фоточувствительный cлoй,oбecпeчивaющий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды, согласно изобретению, дополнительно содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрирование падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения.
В одном из предпочтительных частных случаев реализации изобретения указанные металлические наночастицы расположены с лицевой, воспринимающей падающее электромагнитное излучение, стороны преобразователя.
При этом указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности, или внутри удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение, поверхность, причем указанный удерживающий слой может представлять собой слой диэлектрика или полупроводника.
В другом случае указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение, поверхность и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя. При этом по крайней мере один из указанных удерживающих слоев может быть слоем диэлектрика или полупроводника.
В другом предпочтительном случае осуществления изобретения указанные наночастицы расположены с тыльной стороны преобразователя, противоположной стороне, воспринимающей падающее электромагнитное излучение.
При этом указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности или внутри удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя, причем указанный удерживающий слой может представлять собой слой диэлектрика или полупроводника.
В еще одном случае указанные наночастицы могут быть расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя и покрыты вторым удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя, причем по крайней мере один из указанных удерживающих слоев предпочтительно представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.
В третьем предпочтительном частном случае осуществления изобретения преобразователь содержит по крайней мере два фоточувствительных слоя, и между по меньшей мере двумя указанными фоточувствительными слоями имеется слой, удерживающий указанные металлические наночастицы.
К токосъемным электродам может быть приложено напряжение от внешнего источника, тогда преобразователь используется, в том числе, как фотодетектор.
Предпочтительно концентрация наночастиц внутри удерживающих слоев равна (l÷75)/100 объемных долей. При расположении наночастиц на поверхности удерживающего слоя предпочтительно, чтобы поверхностная плотность наночастиц на поверхности удерживающего слоя была равна (l÷75)/100 объемных долей.
В частном случае по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
В рамках настоящего изобретения под слоем понимается трехмерная структура, которая имеет по крайней мере одну общую характеристику в любой своей точке или сечении (в т.ч., выполнение из одного материала, наличие единой функции, свойства и т.п.), и которая при этом может быть обособлена от окружающих структур (в т.ч. слоев) физически и/или функционально. Следует отметить, что слой может выполняться из одного или нескольких материалов, являться непрерывным (в т.ч. выполняться в виде пласта), с изъятиями (например, отверстиями), или же состоять из совокупности нанокристаллов или изолированных друг от друга трехмерных «ocтpoвкoвыx» структур, которые тем не менее обладают хотя бы одним общим свойством, могут быть обособлены от окружающих структур физически или функционально и потому в рамках изобретения определяются и рассматриваются в качестве слоя.
Далее, под фоточувствительным слоем следует понимать слой, в котором при поглощении электромагнитного излучения генерируется фототок, улавливаемый токосъемными электродами, например р слой или п слой или совокупность последовательно расположенных р и п слоев (т.е. слоев с дырочной проводимостью и электронной проводимостью соответственно). Фоточувствительный слой по изобретению предпочтительно выполнен из твердых полупроводниковых материалов, например, в виде монокристаллических, или поликристаллических структур или совокупности нанокристаллов, в том числе с образованием в этой совокупности р-п переходов.
Под лицевой поверхностью, на которую может наноситься один или несколько удерживающих слоев, будет пониматься поверхность преобразователя, непосредственно воспринимающая падающее электромагнитное излучение в отсутствие указанных удерживающих слоев. Аналогично, под тыльной будет пониматься поверхность преобразователя, противоположная лицевой, в отсутствие удерживающих слоев.
Изобретение поясняется далее более подробно на конкретных примерах его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены: - на фиг.1 - схематическое изображение заявленного преобразователя в одном из предпочтительных случаев его осуществления (в сечении);
- на фиг.2 - график зависимости относительного увеличения плотности фототока, возникающего при поглощении солнечного излучения в фоточувствительном слое заявленного преобразователя, от толщины этого слоя;
- на фиг.З - спектр поглощения и переизлучения широкополосного электромагнитного излучения монослоем сферических серебряных наночастиц;
- на фиг.4 - спектр заданного падающего электромагнитного излучения, которое переизлучается слоем сферических серебряных наночастиц как показано на фиг.З;
- на фиг.5 - спектры излучения отдельных наночастиц серебра в примере, показанном также на фиг.З и 4. на фиг.6 - распределение электростатических полей в фоточувствительном слое и в диэлектрическом удерживающем слое с наночастицами (слева) и схема, поясняющая генерацию фототока вблизи наночастицы и в фоточувствительном слое (справа).
Как показано на фиг.l, преобразователь в описываемом конкретном случае его осуществления содержит металлический контакт (электрод) 1 и подложку 2. На подложке 2 располагается фоточувствительный слой 3, в котором происходит генерация фототока при поглощении падающего электромагнитного излучения за счет наличия в слое 3 по крайней мере одного р-п перехода. Генерация фототока может частично происходить в подложке 2 при этом неравновесные фотоиндуцированные носители диффундируют к сплошному контакту 1 и полосковым контактам 5. На лицевой поверхности преобразователя, образованной обращенной в сторону внешнего электромагнитного поля 7 поверхностью слоя 3, расположены полосковые электрические контакты 5, вместо которых в других частных случаях осуществления изобретения могут использоваться сплошные или не сплошные (разрывные) прозрачные токопроводящие слои (например, слой смешанного оксида индия и олова (ITO)). Поверх лицевой стороны фоточувствительного слоя 3 и контактов 5 нанесен сплошной удерживающий диэлектрический слой 4, внутри которого размещены металлические наночастицы 6.
Основным отличием заявленного преобразователя от фотоэлементов, известных на предшествующем уровне техники, является увеличение плотности фототока и, как следствие, КПД за счет двух механизмов, которые совместно действуют в каскадах генерации фототока заявленного преобразователя. В рассматриваемом примере имеется два каскада: первый каскад составляет фоточувствительный слой 3, а второй каскад - прозрачный удерживающий диэлектрический слой 4 с помещенными в него металлическими частицами 6 (см. Фиг.1,6). При других реализациях возможно наличие более двух каскадов генерации фототока (за счет увеличения числа фоточувствительных и/или удерживающих слоев). Первый механизм увеличения плотности генерируемого фототока связан с «кoнцeнтpиpoвaниeм» наночастицами 6 внешнего электромагнитного поля (ЭМП) 7. Металлические наночастицы 6 поглощают и переизлучают внешнее ЭМП 7 заданного спектра. Металл частиц 6 и материал удерживающего слоя 4, в котором размещены частицы 6, подбираются таким образом, чтобы максимум спектра внешнего ЭМП 7 соответствовал максимуму поглощения ЭМП наночастицами 6 и находился вблизи локализованного плазмонного резонанса (ЛПР) наночастиц 6. Так как размер наночастиц 6 по изобретению не превосходит характерную длину волны падающего электромагнитного излучения, наночастицы 6 излучают как диполи, поэтому рассеяние ЭМП наночастицами 6 отсутствует.
Для расчетов параметров конкретной реализации фотоэлемента могут быть использованы известные формулы [10, 11] и основанные на них известные численные методы. Согласно расчетам, при близости максимумов спектров внешнего ЭМП и ЛПР наночастиц 6, плотность энергии переизлученного наночастицами 6 ЭМП оказывается на расстояниях от поверхности наночастиц 6 порядка 1-2 их диаметров в несколько раз выше, чем плотность энергии падающего ЭМП, т.е. наночастицы 6 «кoнцeнтpиpyют» ЭМП ближней зоны подобно тому, как обычное (дальней зоны) ЭМП концентрируется линзами или оптическими резонаторами. Оптимальная толщина фоточувствительного слоя 3, где имеет место концентрирование ЭМП наночастицами 6, составляет 100 - 200 нм, более точное значение определяется из экспериментов и путем численных расчетов для конкретной реализации предлагаемого фотоэлемента и зависит от материала и формы наночастиц и показателей преломления слоев 3 и 4. Концентрация широкополосного ЭМП (как, например ЭМП солнечного спектра) оказывается возможной потому, что спектр ЛПР наночастиц 6, взаимодействующих друг с другом через ближнее ЭМП, неоднородно уширен, т.е. состоит из большого числа полос, сдвинутых друг относительно друга и перекрывающих спектр заданного падающего ЭМП. Сильные внутренние поля, существующие в фоточувствительных слоях с генерацией фототока (например, на р-п переходах) быстро разделяют фотоиндуцированные носители, так что они не успевают рекомбинировать [12] поэтому плотность фототока в первом каскаде (слое 3) предлагаемого преобразователя пропорциональна плотности энергии переизлученного наночастицами 6 ЭМП, т.е. она превосходит плотность генерируемого фототока в аналогичном фотоэлементе без наночастиц во столько раз, во сколько раз различаются плотности энергии падающего и переизлученного полей. Фактор увеличения фототока в зависимости от глубины h фоточувствительного слоя 3 показан на Фиг.2. Эксперименты демонстрирующие усиление фототока в фотоэлементе с покрытием из металлических сферических наночастиц диаметра около 30 нм проводились, в частности, с кремниевыми пластинами площадью 1 см с приповерхностным р-п переходом (фоточувствительным слоем) без наночастиц на лицевой стороне, а также с нанесенными туда, на удерживающий слой полимера, серебряными наночастицами. Частицы располагались случайным образом, в виде монослоя с поверхностной плотностью 0,35, на удерживающем слое 4, например, мономолекулярном слое поливинилпиридина (ПВП). Эффективный показатель преломления удерживающего слоя 4 (зависящий от присутствия наночастиц), согласно оценкам, выбирался равным 3,4. Наночастицы серебра 6 располагались на расстоянии 5 нм от фоточувствительного слоя 3. При мощности широкополосного падающего электромагнитного излучения 10 мВт наблюдался фототок около 0.2 мА для кремния без наночастиц и 0.55 мА при наличии серебряных наночастиц. Структура р-п переход - серебряные наночастицы эквивалентна p-n-n+ переходу (два "сонаправленных" диода), совместное действие которых приводило, вместе с концентрированием ЭМП наночастицами, к увеличению фототока по сравнению со случаем р-п перехода на кремнии без наночастиц.
Вклад первого механизма - концентрирования ЭМП в увеличение фототока, определялся путем численных расчетов. На фиг. 3 приведены спектры поглощенного и переизлученного электромагнитного излучения наночастицами 6 в конструкции преобразователя, приведенного на фиг.l. Ширина и максимум (650 нм) спектра поглощения и переизлучения монослоя металлических наночастиц 6, оказываются близкими к соответствующим величинам спектра падающего излучения, моделирующего солнечный спектр (фиг.4,6) при поверхностной плотности наночастиц 6 0,35, которая достаточна для эффективного диполь-дипольного взаимодействия наночастиц 6 друг с другом. Последнее взаимодействие приводит к неоднородному уширению спектра поглощения и переизлучения монослоя металлических наночастиц 6, как показано на Фиг.5. Расчет вклада проводился с использованием известных выражений, определяющих поляризуемость α наночастицы над поверхностью в зависимости от формы наночастицы, металла, из которого она состоит, материала окружения и расстояния до поверхности, а также с использованием известных выражений для дипольного излучения наночастиц и их диполь- дипольного взаимодействия, которые приводятся, например, в [10, 11] или получаются непосредственным обобщением соотношений из [10, 11]. Рассматривался монослой из N=IOO наночастиц, дальнейшее увеличение числа частиц не приводило к существенному изменению результатов расчетов, в т.ч. интенсивности поля, переизлучаемого частицами. Следует отметить, что согласно известным соотношениям для поляризуемости α металлических наночастиц [10], максимум спектра поглощения и переизлучения монослоя наночастиц может быть помещен вблизи максимума заданного спектра падающего излучения также путем подбора формы наночастиц. Например, максимум спектра поглощения и переизлучения монослоя наночастиц сдвигается в красную сторону, если вместо сферических наночастиц взять эллипсоидальные наночастицы (из того же материала) с большими полуосями, лежащими в плоскости монослоя наночастиц.
Согласно фиг.2, концентрация широкополосного ЭМП наночастицами приводит примерно к 1.5 кратному увеличению плотности генерируемого фототока на глубине 150 нм что, по оценкам, составляет эффективную глубину р-п перехода кремниевых фотоэлементов, использованных в эксперименте. Дополнительное увеличение плотности фототока приводящее, в итоге, к его возрастанию на эксперименте с 0.2 мА до 0.55 мА, возникает из-за второго механизма.
Второй механизм увеличения генерации фототока в предлагаемом преобразователе связан с эффективной генерацией фототока самими металлическими наночастицами 6, при их взаимодействии с окружением во втором каскаде фотоэлемента (в удерживающем слое 4), которая оказывается возможной, в том числе, из-за сильных локальных электростатических полей существующих вблизи наночастиц 6. Существенно, что генерация фототока с участием наночастиц 6 происходит вблизи их поверхностей, т.е. именно там, где наночастицы наиболее эффективно концентрируют ЭМП.
Приповерхностный объем фоточувствительного слоя 3 (например, р-п перехода в кремниевом фотоэлементе), где происходит генерация фототока, оказывается заряженным из-за разделения свободных носителей внутренними электростатическими полями слоя 3. Для определенности будем полагать, что свободные носители слоя 3 разделены так, как показано на фиг.6, на которой дополнительными позициями обозначены: Ia, Ib - пространственно разделенные заряды светочувствительного слоя, 2а - положительный заряд наночастицы, -е и +e - фотоиндуцированные носители, соответственно, электроны и дырки, а пунктирный круг обозначает область концентрации электромагнитного поля наночастицей 6.
Металлические наночастицы 6 слоя 4 предпочтительно помещаются на малом расстоянии (в несколько нм) от заряженного объема слоя 3, поэтому электроны проводимости могут туннелировать через тонкий слой 4 диэлектрика (в описываемом примере - ПВП), отделяющий частицу 6 от слоя 3. При поглощении фотона энергии hω в слое 3 или в наночастице 6 возникают электронно-дырочные пары -е +e, электроны и дырки которых разделяются внутренними полями, качественное распределение которых E(x) (сила, действующая на единичный положительный заряд) показано на фиг.6 слева. Та часть E(x), которая относится к слою 4, соответствует среднему полю в слое 4, эффективная толщина которого принята равной диаметру наночастиц 6 плюс расстояние от верхней границы слоя 3 до поверхности наночастицы 6. За пределами границ областей с встроенными электростатическими полями фотоиндуцированные носители диффундируют к аноду и катоду - контактам 1 и 5 на фиг.1.
Локальные поля вблизи наночастиц 6 отличаются от показанного на фиг.6. В частности, электростатические поля внутри наночастиц 6 близки к О, а вблизи наночастиц 6 существенно превосходят среднее поле E(x), указанное на фиг.6. Поскольку локальное электростатическое поле вблизи наночастицы 6 индуцируется зарядами фоточувствительного слоя 3, сконцентрированными вблизи наночастицы, это поле оказывается порядка или больше внутреннего поля в слое 3 (например, на р-п переходе), которое весьма велико. Сильные локальные поля вблизи наночастиц способствуют эффективному разделению фотоиндуцированных носителей, подобно тому, как это происходит в области барьера Шоттки [12], повышая тем самым эффективность генерации фототока. Например, если фоточувствительным слоем 3 является полупроводник, то наночастица 6 вблизи поверхности полупроводника образует переход "полупроводник-металл" (ПМ) или "полупроводник- диэлектрик-металл" (ПДМ) где, как и в р-п переходах, возникают сильные внутренние электростатические поля двойного слоя зарядов [13]. Эти поля эффективно разделяют носители, фотоиндуцированные при поглощении ЭМП наночастицами 6. Если фоточувствительный слой 3 ~ полупроводник и несущественен вклад электронных состояний на поверхности соприкосновения слоев 3 и 4, то работа выхода для электронов наночастицы должна быть меньше (больше), чем у прилегающей области полупроводника, если эта область п (р) типа, как это имеет место в случае экспериментов с серебряными наночастицами на кремнии (см. выше).
Работа выхода электрона из металлической наночастицы 6, находящейся в сильном электростатическом поле, существенно понижается по сравнению с обычной величиной работы выхода электрона (дырки) из соответствующего металла [12]. Это облегчает выход фотоиндуцированных носителей за пределы наночастицы и приводит к дополнительному увеличению генерации фототока при поглощении ЭМП наночастицами 6. Размер наночастицы 6 предпочтительно подбирается меньше, чем длина свободного пробега электронов в металле (несколько сотен нм), вследствие чего для фотоиндуцированных носителей повышается вероятность достичь поверхности наночастицы 6, выйти за ее пределы и дать вклад в фототок.
Таким образом, генерация фототока в предлагаемом фотоэлементе осуществляется не только в области фоточувствительного слоя 3, как в известных фотоэлементах, но и внутри наночастиц 6 и вблизи их поверхностей, т.е. именно там, где наночастицы особенно эффективно концентрируют электромагнитное поле, в добавление к области концентрации ЭМП (ограниченной пунктирным кругом на фиг. 6) в фоточувствительном слое 3. Совокупность областей генерации фототока, локализованных вблизи наночастиц (как, например, на переходах ПМ или ПДМ, если светочувствительный слой 3 - полупроводник), образует второй "гетерогенный" каскад генерации фототока в дополнение к каскаду, образованному фоточувствительным слоем 3. В рассмотренном примере (в эксперименте с серебряными наночастицами на кремнии) одновременное действие двух описанных механизмов привело к увеличению КПД преобразователя более чем в 2 раза.
Еще одним преимуществом заявленного преобразователя наряду с двухкаскадной генерацией фототока является возможность его создания путем модернизации выпускаемых промышленностью стандартных твердотельных фотоэлементов. В частности, на лицевую или тыльную поверхность кремниевого фотоэлемента может быть в виде пленки нанесен диэлектрический удерживающий слой, содержащий металлические наночастицы. Наночастицы могут также располагаться на поверхности диэлектрического слоя на воздухе или на поверхности одного диэлектрического удерживающего слоя, но закрываться сверху слоем другого или того же самого диэлектрика. Не исключается возможность использования полупроводников для формирования удерживающего слоя. Выбор стороны преобразователя для расположения слоя наночастиц зависит в основном от толщины фоточувствительного слоя. При сравнительно толстом фоточувствительном слое для обеспечения существенного вклада слоя наночастиц в генерацию фототока предпочтительно размещать их с лицевой стороны, поскольку значительное поглощение ЭМП в фоточувствительном слое и слабое проникновение излучения к тыльной стороне такого преобразователя делает нецелесообразным размещение слоя наночастиц с тыльной стороны преобразователя. Напротив, в случае сравнительно тонкого фоточувствительного слоя размещение слоя наночастиц с тыльной стороны вполне оправдано.
Еще одним предпочтительным случаем осуществления изобретения может быть размещение слоя наночастиц между двумя фоточувствительными слоями. Очевидно, этот вариант предпочтительно использовать при изготовлении новых преобразователей а не для модернизации существующих. В частности, стандартная полупроводниковая пластина, например, р- типа, может быть легирована с одной стороны примесью п-типа на заданную глубину, например, 100-250 нм методом диффузии ионов из газовой фазы. На другую сторону пластины р-типа наносится сплошной металлический контакт, например, методом вакуумного напыления. Далее для получения нового преобразователя на сторону пластины, легированную примесью п-типа, могут наноситься полосковые металлические контакты и затем - мономолекулярный слой полимера, на который наносятся металлические наночастицы, например, осаждением из гидро- или органозоля. Полосковые металлические контакты могут наноситься также не на кремниевую пластину, а на слой полимера с наночастицами.
Для получения многокаскадного преобразователя вместо нанесения металлических контактов поверх слоя наночастиц может быть напылен слой полупроводника р типа, легируемый далее примесями п-типа с последующим нанесением токопроводящих контактов на легированную поверхность. Таким образом, слой наночастиц оказывается размещенным между двумя фоточувствительными слоями. Очевидно, преобразователь может содержать также три или более фоточувствительных слоев, и между двумя соседними фоточувствительными слоями при необходимости может быть помещен удерживающий слой с наночастицами.
Кроме того, в соответствии с известным уровнем техники [14] для усиления поля внутри р-п перехода за счет возбуждения ЛПР наночастиц сами фоточувствительные слои могут также содержать металлические наночастицы. В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры не охватывают всех возможных случаев осуществления изобретения, предназначены исключительно для его лучшего понимания и демонстрации достижения технического результата и не могут рассматриваться в качестве ограничивающих объем испрашиваемой правовой охраны. Специалисту понятно, что возможны также и иные частные случаи реализации заявленного изобретения - в частности, в зависимости от требуемого коэффициента преломления удерживающего слоя 4 возможно его выполнение из полупроводникового материала; преобразователь может быть снабжен несколькими удерживающими слоями с наночастицами, которые могут располагаться как с лицевой стороны, так и с тыльной, а возможно также (в дополнение к лицевому и тыльному слоям) - и между светочувствительными слоями; с тыльной стороны преобразователя удерживающий слой может наноситься как поверх электрода 1 , так и непосредственно поверх подложки 2 с последующим нанесением электрода 1 поверх удерживающего слоя. Возможны й прочие частные случаи осуществления изобретения, прямо не указанные в вышеописанных неограничительных примерах, но тем не менее не выходящие за рамки испрашиваемого объема правовой охраны, определяемого исключительно прилагаемой формулой изобретения. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. SU 1801232 АЗ, ГУБА и др., 07.03.1993
2. SU 1806424 АЗ, ГУБА и др., 30.03.1993
3. WO 2006/034561 Al, GAPONENKO еt аl., HOlL 31/02, опубл. 06.04.2006
4. M. Вгопgегsmа еt. аl. "Nапоstгuсtuгеd mеtаl-огgапiс соmроsitе sоlаr сеlls" Stапfогd Uпivеrsitу, GCEP ргоjесt Sерt. 2005 - Аug. 2008.
5. M. Вгопgегsmа еt. аl. "Nапоstшсturеd mеtаl-огgапiс соmроsitе sоlаr сеlls" Stапfогd Uпivегsitу, GCEP Тесhпiсаl Rерогt 2006. 6. US 2006032529 Al, RAND еt аl., HOlL 31/00, опубл. 16.02.2006.
7. A.Yakimov апd S.R.Fоrrеst, Аррl.Рhуs.Lеtt. v.80, pl667, 2002.
8. В.Маеппigеtаl., Аррl.Рhуs. А: Маtеr.Sсi.Рrосеss. v.79, р.1 , 2004.
9. В.Р.Rапd, Р.Реuтапs, S.R.Fоrrеst Lопg-rапgе аbsоrрtiоп епhапсетепt iп оrgапiс tапdет thiп-filт sоlаr сеlls сопtаiпiпg silvеr папосlиstеrs JOURNAL OF APPLIED PHYSICS v.96, 7519, 2004.
10. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц "Электродинамика сплошных сред" Москва, изд-во Физматлит 2001, cтp.66.
11. Л.Д.Ландау и Е.МЛифшиц "Теория поля" Москва, изд.-во Наука, 1988 cтp.253. 12. С.Зи "Физика полупроводниковых приборов", книга 2, Москва, изд.-во
Мир, 1984, cтp.403.
13. Р.Бьюб "Фотопроводимость твердых тел" Москва, изд-во Иностранной литературы, 1962, стр.144.
14. RU 2217845 Cl, ЗАЙМИДОРОГА О.А. и др., HOlL 31/04, опубл. 27.11.2003

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Преобразователь электромагнитного излучения, содержащий по крайней мере один фоточувствительный слой, обеспечивающий генерацию фототока при поглощении электромагнитного излучения, а также токосъемные электроды, отличающийся тем, что он также содержит металлические наночастицы размером порядка или менее длины волны в максимуме спектра падающего излучения, обеспечивающие концентрацию падающего излучения в ближней зоне около наночастиц и генерацию фототока при поглощении указанного излучения.
2. Преобразователь по п.l, отличающийся тем, что указанные металлические наночастицы расположены с лицевой, воспринимающей падающее электромагнитное излучение, стороны преобразователя.
3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение, поверхность.
4. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены внутри удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение, поверхность.
5. Преобразователь по п.З или 4, отличающийся тем, что указанный удерживающий слой представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.
6. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на лицевую, воспринимающую падающее электромагнитное излучение, поверхность и покрыты вторым
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя.
7. Преобразователь по п.б, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой диэлектрика.
8. Преобразователь по п.б, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой полупроводника.
9. Преобразователь по п.l, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены с тыльной стороны преобразователя, противоположной стороне, воспринимающей падающее электромагнитное излучение.
10. - Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя.
11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены внутри удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя.
12. Преобразователь по п.10 или И, отличающийся тем, что указанный удерживающий слой представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.
13. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что указанные наночастицы расположены на поверхности удерживающего слоя, нанесенного на тыльную поверхность преобразователя и покрыты вторьм удерживающим слоем, нанесенным поверх первого удерживающего слоя.
14. Преобразователь по п.13, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных удерживающих слоев представляет собой слой диэлектрика или полупроводника.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
15. Преобразователь по п.l, отличающийся тем, что хотя бы между двумя фоточувствительными слоями имеется слой, удерживающий указанные металлические наночастицы.
16. Преобразователь по п.l, отличающийся тем, что к токосъемным электродам приложено напряжение от внешнего источника.
17. Преобразователь по любому из пп. 4, 6-8, 11, 13, 14, отличающийся тем, что • концентрация наночастиц внутри удерживающих слоев равна (ϊ÷75)/100 объемных долей.
18. Преобразователь по пп. 3 или 10, отличающийся тем, что поверхностная плотность наночастиц на поверхности удерживающего слоя равна (l÷75)/100 объемных долей.
19. Преобразователь по любому из п.п. 1-4, 6-11, 13-16, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
20. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
21. Преобразователь по п.12, отличающийся тем, что по крайней мере ч один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
22. Преобразователь по п.17, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
23. Преобразователь по п.18, отличающийся тем, что по крайней мере один фоточувствительный слой содержит металлические наночастицы.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2008/000076 2008-04-09 2008-04-09 Преобразователь электромагнитного излучения WO2009126056A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000076 WO2009126056A1 (ru) 2008-04-09 2008-04-09 Преобразователь электромагнитного излучения
EP08779150A EP2139045A4 (en) 2008-04-09 2008-04-09 ELECTROMAGNETIC RADIATION CONVERTER
US12/348,982 US20090255579A1 (en) 2008-04-09 2009-01-06 Converter of Electromagnetic Radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000076 WO2009126056A1 (ru) 2008-04-09 2008-04-09 Преобразователь электромагнитного излучения

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US12/348,982 Continuation US20090255579A1 (en) 2008-04-09 2009-01-06 Converter of Electromagnetic Radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009126056A1 true WO2009126056A1 (ru) 2009-10-15

Family

ID=41162060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000076 WO2009126056A1 (ru) 2008-04-09 2008-04-09 Преобразователь электромагнитного излучения

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20090255579A1 (ru)
EP (1) EP2139045A4 (ru)
WO (1) WO2009126056A1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9372283B2 (en) * 2009-11-13 2016-06-21 Babak NIKOOBAKHT Nanoengineered devices based on electro-optical modulation of the electrical and optical properties of plasmonic nanoparticles
FR2959352B1 (fr) * 2010-04-23 2014-02-21 Centre Nat Rech Scient Structure nanometrique absorbante de type mim asymetrique et methode de realisation d'une telle structure
DE102010050110B3 (de) 2010-10-29 2012-01-19 Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel Metall-Komposit-Beschichtung mit hoher optischer Transmissivität im visuellen Spektrum
JP5875124B2 (ja) * 2011-10-17 2016-03-02 国立研究開発法人産業技術総合研究所 半導体素子の接合方法および接合構造
RU2657349C2 (ru) * 2016-10-04 2018-06-13 Викторс Николаевич Гавриловс Способ повышения эффективности преобразования энергии поглощенного потока электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию с помощью образованного "темнового тока" и объемной ультразвуковой дифракционной решетки в монокристалле кремния в результате возбуждения в нем периодических высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волн

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1801232C (ru) 1991-06-04 1993-03-07 Институт Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского Твердотельный фотогальванический элемент дл преобразовани энергии света в электрическую энергию
RU1806424C (ru) 1991-06-04 1993-03-30 Институт Физической Химии Им.Писаржевского Твердотельный фотогальванический элемент дл преобразовани энергии света в электрическую энергию
RU2102821C1 (ru) * 1996-10-10 1998-01-20 Зираддин Ягуб-оглы Садыгов Лавинный фотодиод
RU2105388C1 (ru) * 1996-04-10 1998-02-20 Виктор Михайлович Горловин Лавинный фотоприемник
JP2000285975A (ja) * 1999-03-30 2000-10-13 Aisin Seiki Co Ltd 光電変換用半導体および光電変換素子
RU2217845C1 (ru) 2002-09-04 2003-11-27 Займидорога Олег Антонович Гетерогенный фотоэлемент
RU2222846C1 (ru) * 2002-08-08 2004-01-27 Займидорога Олег Антонович Фотоэлемент
US20060032529A1 (en) 2004-08-11 2006-02-16 Rand Barry P Organic photosensitive devices
WO2006034561A1 (en) 2004-09-27 2006-04-06 The State Scientific Institution 'institute Of Molecular And Atomic Physics Of The National Academy Of Science Of Belarus' High-efficient small-aperture light converter

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5656098A (en) * 1992-03-03 1997-08-12 Canon Kabushiki Kaisha Photovoltaic conversion device and method for producing same
US8866007B2 (en) * 2006-06-07 2014-10-21 California Institute Of Technology Plasmonic photovoltaics
EP2109147A1 (en) * 2008-04-08 2009-10-14 FOM Institute for Atomic and Molueculair Physics Photovoltaic cell with surface plasmon resonance generating nano-structures

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1801232C (ru) 1991-06-04 1993-03-07 Институт Физической Химии Им.Л.В.Писаржевского Твердотельный фотогальванический элемент дл преобразовани энергии света в электрическую энергию
RU1806424C (ru) 1991-06-04 1993-03-30 Институт Физической Химии Им.Писаржевского Твердотельный фотогальванический элемент дл преобразовани энергии света в электрическую энергию
RU2105388C1 (ru) * 1996-04-10 1998-02-20 Виктор Михайлович Горловин Лавинный фотоприемник
RU2102821C1 (ru) * 1996-10-10 1998-01-20 Зираддин Ягуб-оглы Садыгов Лавинный фотодиод
JP2000285975A (ja) * 1999-03-30 2000-10-13 Aisin Seiki Co Ltd 光電変換用半導体および光電変換素子
RU2222846C1 (ru) * 2002-08-08 2004-01-27 Займидорога Олег Антонович Фотоэлемент
RU2217845C1 (ru) 2002-09-04 2003-11-27 Займидорога Олег Антонович Гетерогенный фотоэлемент
US20060032529A1 (en) 2004-08-11 2006-02-16 Rand Barry P Organic photosensitive devices
WO2006034561A1 (en) 2004-09-27 2006-04-06 The State Scientific Institution 'institute Of Molecular And Atomic Physics Of The National Academy Of Science Of Belarus' High-efficient small-aperture light converter

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. YAKIMOV; S. R. FORREST, APPL. PHYS. LETT., vol. 80, 2002, pages 1667
B. MAENNIG ET AL., APPL. PHYS. A: MATER. SCI. PROCESS., vol. 79, 2004, pages 1
B. P. RAND; P. PEUMANS; S. R. FORREST: "Long-range absorption enhancement in organic tandem thin-film solar cells containing silver nanoclusters", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 96, 2004, pages 7519
L. D. LANDAU; E. M. LIFSHITS, ELEKTRODINAMIKA SPLOSHNYKH SRED, 2001, pages 66
L. D. LANDAU; E. M. LIFSHITS, TEORIYA POLYA, 1988, pages 253
M. BRONGERSMA ET AL.: "Nanostructured metal-organic composite solar cells", STANFORD UNIVERSITY, GCEP PROJECT, September 2005 (2005-09-01)
M. BRONGERSMA ET AL.: "Nanostructured metal-organic composite solar cells", STANFORD UNIVERSITY, GCEP TECHNICAL REPORT, 2006
R. BUBE: "Photoconductivity of Solids", 1962, IZD-VO INOSTRANNOY LITERATURY, pages: 144
S. SZE: "Physics ofsemiconductor Devices", 1984, pages: 403
See also references of EP2139045A4

Also Published As

Publication number Publication date
US20090255579A1 (en) 2009-10-15
EP2139045A1 (en) 2009-12-30
EP2139045A4 (en) 2010-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107482072B (zh) 具有亚带隙探测能力的石墨烯基波长选择光探测器
US9991403B2 (en) Optical device
Wang et al. Realizing high-efficiency omnidirectional n-type Si solar cells via the hierarchical architecture concept with radial junctions
Pillai et al. Plasmonics for photovoltaic applications
US8598567B2 (en) Color-selective quantum dot photodetectors
Lin et al. Stable 16.2% Efficient Surface Plasmon-Enhanced Graphene/GaAs Heterostructure Solar Cell.
Wang et al. Toward highly efficient nanostructured solar cells using concurrent electrical and optical design
JP2018082194A (ja) 赤外線（ｉｒ）光電池を薄膜光電池上に集積する方法及び装置
JP2002111031A (ja) 固体ヘテロ接合および固体増感（感光性）光起電力セル
CN104937722A (zh) 利用处理量子点溶液制造的中间带半导体、异质结和光电设备,及其相关方法
TWI474488B (zh) 太陽能電池
Ouellette et al. Optical resonance engineering for infrared colloidal quantum dot photovoltaics
Aliev et al. Stimulation of photoactive absorption of sunlight in thin layers of silicon structures by metal nanoparticles
Gwamuri et al. Advances in Plasmonic Light Trapping in Thin‐Film Solar Photovoltaic Devices
Lee et al. Tandem-structured, hot electron based photovoltaic cell with double Schottky barriers
WO2009126056A1 (ru) Преобразователь электромагнитного излучения
Chowdhury et al. Enhanced performance of thin-film amorphous silicon solar cells with a top film of 2.85 nm silicon nanoparticles
Sanchez-Sobrado et al. Photonic-structured TCO front contacts yielding optical and electrically enhanced thin-film solar cells
CN107452880A (zh) 一种基于小周期有机太阳能电池结构
Chander et al. Comparison of different types of solar cells–a review
Srivastava et al. Enhanced performance of poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonate)/silicon solar cells employing inverted pyramidal silicon by one-step copper catalyzed etching
Le et al. Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions
Aldalbahi et al. Two‐Step Facile Preparation of 2D MoS2/ZnO Nanocomposite p‐n Junctions with Enhanced Photoelectric Performance
US20110168257A1 (en) Solar Cell Structure
RU2331141C1 (ru) Преобразователь электромагнитного излучения

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008779150

Country of ref document: EP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08779150

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE