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
METHOD OF INCREASING EFFICIENCY OF CONVERTING ENERGY OF ABSORBED FLUX OF ELECTROMAGNETIC WAVES OF SUNLIGHT INTO ELECTRIC ENERGY WITH THE HELP OF CREATED "DARK CURRENT" AND VOLUME ULTRASONIC GRATING IN SILICON MONOCRYSTAL AS THE RESULT OF EXCITATION OF PERIODIC HIGH-FREQUENCY ULTRASONIC SHEAR WAVES IN IT

Представленное изобретение относится к процессу производства высокоэффективных преобразователей энергии поглощенного потока электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию с помощью созданной в структуре преобразователя монокристалла кремния объемной ультразвуковой дифракционной решетки в результате воздействия периодических высокочастотных сдвиговых волн в монокристаллической кремниевой пластине ориентацией [111] на ее структуру возбужденными продольными высокочастотными ультразвуковыми волнами пьезопреобразователем, расположенным на поглощающей поверхности кремниевой пластины с одновременным возникновением переменного "темнового тока" в виде синусоидальной волны амплитудой 0,5 В, эффективно реагирующего на энергию светового потока, падающего на преобразователь световой энергии в электрическую.
Появление ультразвуковой дифракционной решетки, а также ультразвукового фоточувствительного слоя, базирующегося на свободных носителях электрических зарядов в зоне проводимости в виде "темнового тока", находятся в прямой зависимости от амплитуды колебания и частоты возбуждения пьезоэлемента, образующего продольные высокочастотные ультразвуковые волны, являющиеся сдвиговыми в результате его возбуждения генератором высокочастотных синусоидальных сигналов, ведущих, как показали эксперименты, к эффективному повышению преобразования световой энергии в электрическую в результате акусторезонансного воздействия на монокристал кремния.
Поэтому, исходя из вышесказанного и обзора литературы по данному вопросу, связанному с описанием преобразования энергии поглощенного потока электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию, видно, что в настоящее время интенсивно развивается направление исследований, связанных с воздействием ультразвуковых колебаний на различные свойства кристаллов. В качестве примеров можно упомянуть 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 взаимодействия 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 рассмотренных работах [9, 10, 11, 12, 13] одним из важных функциональных элементов для решения заявленных технических задач являются дифракционно-акустооптические 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 высокоэффективные преобразователи энергии лучей солнечного света в электрическую энергию [8].
Поэтому, принимая во внимание сказанное и исследования в области создания нового типа преобразователей энергии потока электромагнитных волн солнечного света в электрическую, был предложен новый способ преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую, связанный с физическим открытием высокой степени подвижности носителей электрических зарядов, образующих непрерывный поток переменного тока, с силой от 0,1 до 0,15 А в зоне проводимости монокристалла кремния, подверженного воздействию высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волн, образованных в результате генерации продольных высокочастотных ультразвуковых волн пьезопреобразователем, расположенным на поглощающей поверхности монокристалла кремния ориентации [111], усиленных амплитудным усилителем высокочастотных сигналов до амплитуды 10,0 В. Амплитуда воздействия на пьезопреобразователь может быть и больше, в зависимости от совершенства структуры монокристалла, используемого для создания оптимальных условий преобразования потока электромагнитных волн солнечного света в электрическую с образованием фоточувствительного слоя в виде переменного тока в зоне проводимости и ультразвуковой дифракционной решетки на сдвинутых атомах монокристалла кремния.
Созданные пьезопреобразователем высокочастотные продольные волны, как известно, являющиеся сдвиговыми, проникая внутрь монокристалла кремния, образуют в результате своего воздействия на атомы монокристалла кремния объемную, периодически колеблющуюся, ультразвуковую дифракционную решетку с определенной амплитудой и частотой, которая при взаимодействии с поглощенными лучами электромагнитных волн светового потока формирует в результате дифракционно-интерференционного явления мощные энергетические лучи с фокусировкой их на синусоидальную волну, представляющую собой ультразвуковой фоточувствительный слой из периодических колебаний огромного числа свободных электрических зарядов, упорядоченных в виде "темнового тока", полученного в результате воздействия на структуру монокристала кремния сдвиговых волн частотой порядка 29,5 мГц и амплитудой 10.0 В, находящихся в зоне проводимости совместно с ультразвуковым фотоэлементом созданного на базе монокристалла кремния.
Возникновение большого количества дополнительных электрических зарядов, изменяющих свое положение в виде синусоидального переменного тока с определенной амплитудой и частотой колебания в зоне проводимости, связано с возникновением двух дополнительных симметричных ультразвуковых энергетических ветвей на энергетических ветвях валентных зон атомов кремния, которые обеспечиваются заселением этих ветвей носителями электрического тока, т.е. электронами с более низких энергетических орбит возбужденных атомов в виде уплотнений и разряжений его электронных оболочек в результате воздействия на них периодических высокочастотных сдвиговых волн частотой порядка 29,5 мГц, и переводам этих электронов с их энергетических уровней при воздействии на них энергетически возбужденными электронами из зоны проводимости, в котором они являются не только носителями тока, но и фотопреобразователями в структуре ультразвукового фоточувстительного слоя.
В такой предложенной ступенчатой схеме преобразования потока световой энергии в электрическую преобразователем, ее эффективность преобразования, связанная с созданием ультразвукового фоточувствительного слоя, достигается не только переводом валентных электронов в зону проводимости из валентных зон атомов, но и переводом с нижних электронных орбит возбужденных атомов более энергетических электронов в зону проводимости через две созданные ультразвуковые энергетические линии в результате расщепления ультразвуком энергетических линий валентных зон. Полученная таким образом повышенная эффективность преобразования светового потока в электрическую энергию подтверждается, в зависимости от изменения ультразвуковой частоты, подаваемой на монокристалл кремния при постоянном освещении, показана на фиг. 2, в виде двух боковых пиковых сателлитовых фотонапряжениях, находящихся от основного фотопикового напряжения на расстоянии 2 мГц от его центра, характерных двум образованным ультразвуковым энергетическим линиям.
При этом нужно отметить, что метод нового типа преобразования преобразователем энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию имеет значительную зависимость также и от коэффициента преломления n для поглощенных электромагнитных волн солнечного света, характеризующего совершенство внутренней структуры монокристаллов кремния, применяемых в преобразователях, который может меняться в пределах от 3,42 до 4,20 единиц и приводить в зависимости от совершенства структуры к понижению или к повышению эффективности преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию. Поэтому, исходя из структурно-дифракционных условий, определяющих длину волны поглощенной энергии электромагнитных волн солнечного света, являющейся, как известно, одним из факторов повышения эффективности преобразования преобразователем энергии лучей электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию, а также ее обратно пропорциональную связь с коэффициентом преломления, позволяет создавать с помощью незначительной перестройки резонансной частоты продольных высокочастотных ультразвуковых волн, созданных пьезопреобразователем, находящимся на поглощающей поверхности преобразователя энергии, оптимальные условия по повышению эффективности преобразования потока энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию.
Таким образом, образование ультразвуковой дифракционной решетки совместно с ультразвуковым фоточувствительным слоем, состоящим из электрических зарядов, имеющим синусоидальную форму колебания с амплитудой 0,5 В, позволяет, как показали эксперименты, создавать фототок достаточной величины, который, проходя через нагрузочное сопротивление в 5,0 Ом, подключенное параллельно к преобразователю энергии светового потока, созданного лампой накаливания в 30 Ватт, 180 люмен, находящейся на расстоянии от освещаемой поверхности монокристалла кремния, диаметром 70 мм, порядка 0,15-0,25 м, образовывать фототоковое напряжение порядка 6.0 В.
Была также проведена оценка зависимости фототока, выраженного через фотонапряжение при постоянном освещении поглощающей поверхности фотопреобразователя и постоянной резонансной частоте преобразователя в 29,5 мГц, генерирующего продольные высокочастотные ультразвуковые волны с последующим их воздействием на структуру монокристалла кремния, являющегося преобразователем световой энергии в электрическую энергию, от изменяемой велечины амплитуды ультразвуковой высокочастотной волны, которая показана на Фиг. 3. И, как показал этот эксперимент, образованный фототок имеет нелинейный характер роста, приводящий к быстрому насыщению электрическими зарядами преобразователя солнечной энергии, являющимися носителями тока огромной величины, превышающей в разы величину фототоков, получаемых преобразователями, используемыми ныне в солнечной энергетике.
Также были проведены эксперименты, связанные с освещением поглощающей поверхности данного монокристалла кремния, являющегося преобразователем световой энергии в электрическую с использованием поглощенного потока энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую. И, как было установлено в этом эксперименте, в пределах долей секунды фотонапряжение на нагрузочном сопротивлении в 5,0 Ом достигало амплитудной величины 9,7 В. Данная величина фотонапряжения была достигнута на резонансной частоте в 29,5 мГц, которая определилась в результате плавного изменения частоты, подаваемой с высокочастотного генератора синусоидальных сигналов на пьезоэлемент из необата лития, образующего продольные высокочастотные волны с их проникновением в монокристалл кремния.
Одновременно нужно однозначно отметить, что во всех экспериментах, связанных с образованием фототока от лампы накаливания или лучей солнечного света, амплитудная величина тока, выражаемая на осциллографе через напряжение, возникшее в результате воздействия на структуру монокристалла кремния продольными высокочастотными ультразвуковыми волнами, являющимися сдвиговыми с постоянной амплитудной величиной в 10,0 В, была равна 0,5 В. Величина этого амплитудного напряжения в 0,5 В образованным «темновым током» в монокристалле кремния, являющимися преобразователями световой энергии в электрическую, по оценкам полученных экспериментальных данных является оптимальной по фоточувствительности для получения фототока достаточной величины. В наших экспериментах фототок менялся в пределах от 0,8 до 1,8 А.
Схема предложенного акусторезонансного фотоэлемента представлена на Фиг. 1.
Акусторезонансный фотоэлемент содержит монокристаллическую кремниевую пластину (3) толщиной 2,17 мм, диаметром 70 мм, с расположенным на поглощающей поверхности (1) пьезопреобразователем (2), создающим продольные высокочастотные ультразвуковые волны. Фоточувствительный слой показан в виде синусоидальной волны (4), тыльная токосъемная сторона (5) преобразователя энергии покрыта графеновым слоем, является не только токосъемной стороной, но и может выполнять роль поглощающей поверхности.
Предложенный акустооптический элемент работает следующим образом.
Световое электромагнитное излучение с длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового поглощается лицевой поверхностью (1) преобразователя (1) и, проходя его вглубь него, достигает объемную ультразвуковую дифракционную решетку, которая состоит из пучностей и разряжений, возникших в результате воздействия на атомы кремния, находящихся в узлах кристаллической решетки преобразователя энергии, продольными периодическими высокочастотными синусоидальными волнами, являющимися сдвиговыми, образованными благодаря возбуждению высокочастотных ультразвуковых колебаний расположенного на поглощающей поверхности преобразователя энергии пьезоэлементом из ниобата лития. Электромагнитные волны солнечного света, достигнув созданной ультразвуковой дифракционной решетки, дифрагируют на этой решетке с последующей их интерференцией и образованием мощных энергетических лучей с фокусировкой их на фоточувствительный слой (4), созданный на основе носителей электрического тока, то есть электронов, являющихся продуктом акусторезонансного явления, возникшего в структуре преобразователя световой энергии в электрическую при воздействии на структуру монокристала кремния ультразвуковой продольной волны с определенной амплитудой 10.0 В и частотой 29,5 мГц.
Таким образом, данное устройство с поглощенными электромагнитными волнами солнечного света, длина которых в монокристалле кремния в зависимости от коэффициента преломления принимает определенные величины, формирует мощные энергетические лучи в результате дифракционно-интерференционного явления на созданной ультразвуковой дифракционной решетке с их фокусировкой на фоточувствительный слой преобразователя, обеспечивает не только мощностное внутрикристаллическое усиление электромагнитных волн солнечного света, но и перевод в зону проводимости не только валентных электронов, но и более энергетических электронов с нижних орбитальных уровней возбужденных атомов с большим временем релаксации, приводящих к увеличению в 4-5 раз выходной мощности акустооптического фотоэлемента по сравнению с ныне действующими преобразователями световой энергии в электрическую.
Экспериментальные результаты по образованию фототока в преобразователе световой энергии в электрическую в зависимости от изменения амплитуды ультразвукового сигнала, подаваемого на фотоэлемент через пьезопреобразователь при постоянной частоте в 29,5 мГц и постоянном облучении фотоэлемента световым потоком от лампы накаливания, приведены в виде фотонапряжения на нагрузочном сопротивлении в 5,0 Ом, показанном на Фиг. 3.
Эта зависимость фотонапряжения от амплитуды ультразвукового высокочастного сигнала показывает, какую минимальную величину амплитудного напряжения нужно подавать на преобразователь световой энергии в электрическую, чтобы получить начальную рабочую величину фотонапряжения при акусторезонансном явлении в структуре преобразователя световой энергии в электрическую, в нашем случае 4.0 В.
На фиг. 4 показана зависимость «темнового тока» от изменения акусторезонансной ультразвуковой частоты в пределах от 25,0 до 45,0 мГц, подаваемой на фотопреобразователь световой энергии в электрическую, масштабно увеличенного для наглядности в 10 раз без светового облучения в виде пикового напряжения на осциллографе. Изменение «темнового тока» по ширине от частоты изменения, выраженное в виде напряжения, происходит, как видим, в узком частотном диапазоне по сравнению с изменением фототока выраженного в виде фотонапряжения на сопротивления в 5.0 Ом при световом облучении преобразователя. Такая разница связана с возникновением двух фотопиковых сателлитов, возникших на резонансных частотах в результате перехода в зону проводимости атомов дополнительных электронов с двух созданных ультразвуковых энергетических ветвей в валентной зоне атомов, образованных при воздействии на структуру фотопреобразователя переменного высокочастотного ультразвукового синусоудального сигнала, изменявшегося при настройке на резонанс в пределах от 21,0 до 44,0 мГц. Также нужно отметить, что токовая величина данного фотопреобразователя, не подверженного высокочастотному ультразвуковому воздействию, находится на 0 уровне, то есть тока нет как при освещении его световым потоком от лампы накаливания, так и от электромагнитных волн солнечного света, но при высокочастотном ультразвуковом воздействии на структуру этого фотоэлемента моментально возникает фоточувствительная синусоидальная волна в фотоэлементе в виде напряжения амплитудой 0,5 B, появляющаяся на осциллографе. На акусторезонансной частоте, созданной в структуре фотопреобразователя, величина темнового тока, также и фототока, выраженная в виде напряжения, увеличивается в разы. Данные величины по напряжению представлены на Фиг. 2, Фиг. 4.
Литература
1. Гаврилов В.Н., Золотоябко Э.В., Иолин Е.М. Динамическая дифракция мессбауэровских у-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., Mossbauer 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 imder 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 LV151088, 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.
14. Аболтиньш Э.Э., Золовкина И.С., Кугель Х.И. Частотная зависимость распределения потенциала вдоль поверхности полупроводника. Изв. АН Латв. ССР, сер. физ. и техн. наук, 1981, N1, 70-74.
15. Аболтиньш Э.Э., Распределение индуцированного потенциала вдоль поверхности полупроводниковых пластин. RAU Scientific Reports & Solid State Electronics and Technologies, 1996, vol. 1, 36-43.