Способ повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию батареей, собранной из фотоэлементов, изготовленных из монокристалла арсенида галлия Российский патент 2019 года по МПК H01L31/04 

Предложенная схема преобразования, показанная на Фиг. 1, связана с повышением эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию батареей, созданной из фотопреобразователей монокристалла арсенида галлия в результате воздействия на их структуру периодических высокочастотных поперечных ультразвуковых сдвиговых волн, образующими в их структуре сдвиговые объемные высокочастотные волны, создаваемые высокочастотным пьезоэлементом (2), располагаемым на поглощающей поверхности (1) фотоэлемента (3) с одновременным получением в фотопреобразователе данной батареи (4) синусоидальной токовой волны из свободных электронов возбужденных атомов фотопреобразователя показанных на осциллографе в виде амплитудного напряжения 100,0 мВ. Эта образованная токовая волна эффективно реагирует на поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока фотопреобразователями батареи. Данная величина тока при этом, нужно отметить, очень сильно зависит от защитного покрытия поглощающей поверхности фотоэлементов батареи аморфным стекловидным веществом, которое не позволяет ультразвуку эффективно воздействовать на фотоэлементы во время преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. Принимая все это во внимание и исходя их вышесказанного и обзора литературы по данным поставленным вопросам, связанных с описанием преобразования поглощенного потока энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, видно, что в настоящее время интенсивно развивается направление исследований, связанное с воздействием ультразвуковых колебаний на различные свойства кристаллов.

В качестве примеров можно вспомнить такие области, как акустооптика, техника пространственного и временного управления пучками излучений, способы измерения акустических полей и другие.

Основные физические задачи, как правило, состоят в изучении механизмов воздействия излучения с веществом при ультразвуковом возбуждении [1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10], а также в создании на основе этих механизмов высокочастотных устройств приборостроения.

В работах [9, 10, 11, 12, 13], рассмотренных, одним из важных функциональных элементов для решения заявленных технических задач являются дифракционно-акустические ячейки, образованные в результате возбуждения в монокристаллических структурах высокочастотных ультразвуковых объемных колебаний, которые не приемлемы для осуществления когерентного рассеяния из поглощенного электромагнитного светового потока лучей солнечного света и образования интерференционной волновой картины, создающей мощные энергетические волновые лучи с фокусировкой их на фоточувствительном слое преобразователя.

Как показали многочисленные исследования, использование высокочастотных колебаний при определенных условиях их распространения в монокристаллических полупроводниковых структурах дает возможность создавать эффективные преобразователи энергии лучей солнечного света в электрическую энергию [8].

Поэтому, принимая во внимание вышесказанное и исследования в области создания новых преобразователей по превращению ими поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, предполагается дополнительный способ преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию, связанный с физическим открытием расщепления энергетического уровня валентной зоны возбужденных атомов на два энергетических подуровня в результате ультразвукового воздействия на структуру фотоэлементов, созданных на полупроводниковой базе из монокристалла арсенида галлия, периодическими поперечными высокочастотными сдвиговыми волнами, а также с тем, что в зоне проводимости атомов данных фотоэлементов, из которых собираются солнечные батареи, подверженных ультразвуковому воздействию, из свободных электронов образуется фоточувствительный слой с высокой степенью фоточувствительности в виде переменного тока в форме синусоидальной волны.

Полученные таким образом два физических явления: расщепление энергетического уровня валентной энергетической зоны на два энергетических подуровня на которых оседают электроны переведенные с нижних орбит возбужденных атомов фотоэлементов и создание фоточувствительного слоя в зоне проводимости в виде синусоидальной волны из свободных электронов и электронов с двух энергетических подуровней, позволяют при такой схеме преобразования поглощенного потока энергии электромагнитных волн света в электрическую энергию получить значительные фототоковые величины, большие, чем получаемые фототоки без применения ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователей солнечной батареи.

Нужно при этом однозначно отметить, что интенсивность в получении высокой токовой величины из электронов в зоне проводимости увеличивается значительно при образовании акусторезонансного электронно-электрического явления в структуре фотопреобразователя при частотной настройке его на резонансное ультразвуковое воздействие на фотоэлементы, приводящих к одновременному возникновению в р-n или n-р туннельных переходов с повышенным их временем перехода порядка с 10^-13 до 10^-7 с, которые обуславливают возникновение переменного тока на 3-й частотной колебательной гармонике в пределах от 70 мГц.

Также нужно отметить, что такой метод преобразования преобразователями из арсенида галлия поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию имеет значительную зависимость от совершенности данного монокристалла, и от коэффициента преломления n для поглощенных электромагнитных волн светового потока, характеризующего совершенство внутренней структуры монокристалла арсенида галлия, который приводит, в зависимости от совершенства структуры, к понижению или к повышению эффективности преобразования энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. Поэтому, исходя из структурных условий фотоэлемента, определяющих длину волны поглощенной энергии электромагнитных волн света, являющейся, как известно, одним из факторов повышения эффективности преобразования преобразователем поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, а также ее обратно пропорциональная связь с коэффициентом преломления, позволяет создавать с помощью незначительного изменения частоты поперечных высокочастотных ультразвуковых волн, создаваемых пьезопреобразователем, расположенным на поглощающей поверхности фотоэлемента, изготовленного из арсенида галлия, оптимальные условия по повышению эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. Что и было продемонстрировано при возникновении акусторезонансного фотоэлектронного электрического явления при зажигании маломощной лампы накаливания и тушении ее, а также в получении фототока в полутемной комнате от "блуждающих" электромагнитных волн в комнатной атмосфере (см. Фиг. 2, Фиг. 3).

Данные измерения, связанные с освещением батареи размером 10,0×10,0 см, изготовленной из монокристалла арсенида галлия, лампой накаливания, находящейся от нее по горизонтали на расстоянии порядка 0,4 м, а по высоте 0,2 м, мощностью 30,0 Ват и 180,0 люмен, возникшая величина фототока была 16,0 мА.

При незначительном полученном фототоке в 16,0 мА, маломощная лампа, присоединенная к батарее через амперметр не загоралась. При изменении частоты ультразвукового воздействия на структуру фотоэлементов в пределах от 69,0 до 73,02 мГц, лампочка загоралась постепенно от слабого накала до яркого при частоте 72,0 мГц и гасла при частоте 76,0 мГц. Величина полученного фототока менялась при этих действиях от 16,0 мА до 18,7 мА (см. Фиг. 2).

В отсутствии электрического света и лучей солнечного света в лабораторной комнате, находящейся в полутемноте, был также проведен эксперимент с данной батареей по возможному определению величины фототока преобразованной данной батареей при поглощении ею энергии "блуждающих" электромагнитных волн в электрическую. Этот эксперимент показал, что и при незначительной световой величине с помощью созданных в структурах данных фотопреобразователей акусторезонансных фотоэлектронных электрических явлений, возникших в результате ультразвукового высокочастотного воздействия на их структуру, можно образовывать фототоковые потоки, величина которых превышает величину фототока, полученного обычным способом, почти в пять раз (см. Фиг. 3).

Литература

1. Гаврилов В.Н., Золотоябко Э.В., Иолин Е.М. Динамическая дифракция мессбауэровских γ-квантов при ультразвуковом возбуждении. Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1988 - т. 52, №9 - с. 1762-1767.

2. Иолин Е.М., Золотоябко Э.В., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Гаврилов В.Н. Интерференционные явления при динамической дифракции нейтронов в условиях ультразвукового возбуждения. ЖЭТФ. - 1986 - т. 91, №12 - с. 2132-2139.

3. Золотоябко Э.В., Иолин Е.М., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Гаврилов В.Н., Косарев В.А. Способ определения деформации монокристаллических пластин. Заявка на авторское свидетельство №4321878 с приоритетом от 26.10.87. Положительное решение от 29.09.88.

4. Иолин Е.М., Райтман Э.А., Кувалдин Б.В., Золотоябко Э.В. Аномальное влияние высокочастотного ультразвука на дифракцию излучения в деформированных монокристаллах. ЖЭТФ. - 1988 - т. 94, №5. - с. 218-233.

5. Gavrilov V.N., Zolotoyabko E.V., Iolin Е.М., difraction in single Si crystal undergoing high-frequency ultrasonic exitation. The Bragg case. J.Phys. C: Solid State Phys. - 1988. V. 21, N 2. - p. 471-483.

6. V. Gavrilovs, V. Kovaljev, E. Raitmans, J. Ekmanis. Patent LV No 14621, 20.12.2012.

7. E.M. Iolin, E.A. Raitman, V.N. Gavrilov, B.V. Kuvaldin and L.L. Rusevich. The effect of ultrasound on the diffraction in a deformed crystal under the conditions of x-ray acoustic resonance. J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) - A281 - 286.

8. V. Gavrilovs, V. Kovalevs, E. Raitmans, J. Ekmanis, I. Sudraba, J.V. Nikitenko, D.V. Roshchupkin, A.A. Demin, S.A. Sakharov. Patent LV151088B, 20.04.2016.

9. Xuy and Stroud R. Acousto-optic devices, New York, Wiley, 1992.

10. Goutzoulis A.P. and Pape D.R. Design and fabrication of Acousto-optic devices, New York, Marcel Dekker, 1994.

11. E. Raitman, V. Gavrilov and Ju. Ekmanis, Neutron Diffraction on Acoustic Waves in the Single Crystals in book: "Acoustic Waves", In Tech, Amsterdam, 2013.

12. Гуляев Ю.В., Проклов B.B., Шкердин Г.Н., Дифракция света на звуке в твердых телах, УФН, 1978, т. 124, В.1, с. 64.

13. Яковкин И.Б., Петров Д.В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах, Новосибирск, 1979.

Изобретение относится к оптоэлектронике. Описан способ повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, согласно изобретению связанный с образованием акусторезонансного электронно-электрического явления в структуре батареи, созданной из фотоэлементов монокристалла арсенида галлия, в результате создания в их структуре высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волновых колебаний, образованных одним из возбужденных фотоэлементов данной батареи, возбужденным высокочастотным пьезоэлементом из ниобата лития, расположенного на поверхности этого фотоэлемента. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, связанный с образованием акусторезонансного электронно-электрического явления в структуре батареи, созданной из фотоэлементов монокристалла арсенида галлия, в результате создания в их структуре высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волновых колебаний, образованных одним из возбужденных фотоэлементов данной батареи, возбужденным высокочастотным пьезоэлементом из ниобата лития, расположенного на поверхности этого фотоэлемента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в фотоэлементах батареи, созданных на базе монокристаллов арсенида галлия, образуются акусторезонансные фотоэлектронные электрические явления в результате воздействия на их структуру высокочастотными синусоидальными волнами на третьей частотной колебательной гармонике возбужденным пьезоэлементом из ниобата лития, основная частота возбуждения которого 26,3 мГц, при освещении поглощающей поверхности фотоэлементов световыми потоками.