Способ повышения эффективности преобразования поглощенного потока энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с помощью образованного в структуре фотопреобразователя акусторезонансного фотоэлектронного электрического эффекта
METHOD OF INCREASING EFFICIENCY OF CONVERSION OF ABSORBED ENERGY FLOW OF ELECTROMAGNETIC WAVES OF LIGHT FLOW INTO ELECTRIC ENERGY WITH ACOUSTIC RESPONSE PHOTOELECTRON ELECTRIC EFFECT FORMED IN PHOTO-CONVERTER STRUCTURE

Представляемое изобретение относится к процессу создания высокоэффективных преобразователей, преобразующих поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с помощью созданных в структуре фотопреобразователя монокристаллической кремниевой фотопластины ориентацией [111] объемных поперечных высокочастотных сдвиговых волн.
В результате воздействия на фотопреобразователь высокочастотными образованными периодическими сдвиговыми волнами, создаваемыми пьезоэлементом на базе из ниобата лития или кварца, располагающегося на поглощающей поверхности фотоэлемента, одновременно с р-n или n-р переходом возникает переменный фоточувствительный токовый слой в зоне проводимости, который связан с колебаниями электрического поля, образованного поляризованными разноименными зарядами атомов кремния, возникающими при воздействии ультразвуковых периодических высокочастотных колебаний на структуру данного фотоэлемента.
Образование токового фоточувствительного слоя в зоне проводимости, возникшего на основе «блуждающих» свободных носителей электрических зарядов, электронов, называемых в физике «темновым током», а также электронов, переведенных в зону проводимости с образованных четырех энергетических подуровней в валентной энергетической зоне атомов в результате ее энергетического расщепления при воздействии на структуру фотоэлемента высокочастотными периодическими колебаниями, возбужденными пьезоэлементом, расположенным на поверхности фотоэлемента, позволяет создавать переменные токовые потоки, превышающие в разы потоки постоянного тока в данном фотоэлементе, если он не подвержен высокочастотному ультразвуковому воздействию.
Такая величина полученного переменного тока, показанная на Фиг. 2 в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления в 5 Ом, подключенного параллельно к фотоэлементу, преобразующему поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, осциллографом, подключенным параллельно к данному сопротивлению, составляла порядка 440 мА на резонансной частоте воздействия на структуру фотоэлемента.
При отключении ультразвукового воздействия на структуру фотоэлемента величина постоянного тока, снятая амперметром, составляла 150 мА.
7
8
-7
Полученные таким образом значимые переменные токовые величины, показанные на Фиг. 2 и на Фиг. 3, возникающие в фотоэлементе при преобразовании поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, связано с образованием в структуре фотоэлемента акусторезонансных фотоэлектронно-электрических эффектов на мегагерцовых частотах порядка 10-10, а также туннельного перехода в р-n или n-р переходах фотопреобразователя с временем перехода электрических зарядов, образующих переменный ток через туннельный переход, в пределах 10 с. Эти образованные эффекты возникают в структуре фотоэлемента в результате создания акусторезонансного электронно-электрического эффекта, показанного на Фиг. 1, без поглощения электромагнитных волн светового потока.
При этом, исходя из вышесказанного и обзора литературы по данному вопросу, связанному с описанием преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока 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 т.д. 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 является 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 поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, был предложен новый способ преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию, связанный с акусторезонансным фотоэлектронным электрическим эффектом, возникающим в структуре фотопреобразователя, подверженного воздействию высокочастотных ультразвуковых сдвиговых волн, образованных в результате генерации поперечных высокочастотных ультразвуковых волн пьезопреобразователем, расположенным на поглощающей поверхности кремниевого токристалла ориентации [111], возбуждаемого генератором высокочастотных сигналов.
Амплитуда воздействия напряжением, подаваемым на пьезопреобразователь через усилитель, достигала 10,0 В, падение напряжения на нем было не более 2,0 В. В зависимости от совершенства кремниевого монокристаллического фотопреобразователя, амплитуда воздействия на пьезопреобразователь может быть и больше используемого, для создания оптимальных условий преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию с образованием фоточувствительного слоя в виде переменного тока в зоне проводимости.
Созданные пьезопреобразователем высокочастотные поперечные объемные волны, как известно, являющиеся сдвиговыми, проникая внутрь монокристалла кремния, образуют в результате своего воздействия на атомы, возбуждаемые в монокристаллических кремниевых фотопреобразователях, переменное электрическое поле из поляризованных разведенных разноименных электрических зарядов, периодически колеблющихся с определенной частотой и амплитудой, позволяющей перебрасывать в валентную энергетическую зону с орбитальных орбит возбужденных атомов электроны с расположением их на четырех энергетических подуровнях, возникших в результате расщепления энергетических уровней валентной зоны атомов от воздействия на структуру фотопреобразователя поперечных высокочастотных сдвиговых волн. Данное расщепление показано на Фиг. 1 в виде акусторезонансного электронно-электрического эффекта амплитудой 1,2 В.
Как видно из представленной фигуры, с правой стороны от вершины полученного акусторезонансного электронно-электрического эффекта образованы два энергетических подуровня с хорошей различимостью по высоте и расположению относительно друг друга и относительно основного акусторезонансного электронно-электрического эффекта, а два других - на левой ветви данной резонансной кривой. Полученные четыре энергетических подуровня на акусторезонансном электронно-электрическом эффекте являются продуктом расщепления энергетических уровней валентных зон атомов фотопреобразователя, подверженного периодическому высокочастотному ультразвуковому воздействию поперечными волнами.
На Фиг. 2 показан акусторезонансный фотоэлектронный электрический эффект амплитудой порядка 2,2 В, возникший в фотопреобразователе в результате облучения его лампой накаливания мощностью 30,0 Ват, снимаемый осциллографом с переменного сопротивления в 5 Ом, подключенного к фотопреобразователю параллельно.
При этом нужно также отметить, что величина полученного напряжения, показанная на Фиг. 2, в результате образования в структуре фотопреобразователя акусторезонансного фотоэлектронно-электрического эффекта при преобразовании поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, превышает величину электронно-электрического напряжения, полученного на акусторезонансном электронно-электрическом эффекте, почти в 2 раза.
Таким образом, образование фоточувствительного слоя, состоящего из подвижных носителей электрических зарядов, электронов, и имеющего синусоидальную форму колебания по напряжению амплитудой 1,2 В, в зависимости от частоты и амплитуды ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя позволяет, как показали эксперименты, создавать ток достаточной величины при поглощении фоточувствительным слоем энергии электромагнитных волн светового потока. Данный токовый поток, проходя через нагрузочное переменное сопротивление в 10,0 Ом, настроенного на величину сопротивления в 5,0 Ом, подключенного параллельно к преобразователю поглощаемой энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, диаметром 100,0 мм и толщиной в 380 мкн, созданного на базе монокристалла кремния, облучаемого лампой накаливания в 30,0 Ват и 180 люмен, находящегося на расстоянии 0,35 м от поглощающей поверхности фотопреобразователя, образовывалось напряжение в 2,2 В, снимаемое с сопротивления в 5,0 Ом, а сама величина тока составляла при таких технических и геометрических условиях общую величину тока 440,0 мА.
Таким образом, можно однозначно констатировать, что с помощью ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя с частотной настройкой на резонансное его воздействие на фотоэлемент можно получать значимые величины тока.
Данные полученные результаты по увеличению тока при данной описанной схеме преобразования показаны на Фиг. 3. с частотными и токовыми величинами. Величина образованного переменного тока измерялась амперметром.
Также были проведены эксперименты, связанные с освещением поглощающей поверхности данного фотопреобразователя световым потоком, проникшим с улицы в лабораторную комнату в условиях плотной облачности. При таких световых условиях и при высокочастотном переменном ультразвуковом воздействии на фотопреобразователь, к которому был подключен амперметр для фиксации величины переменного тока, была зафиксирована на акусторезонансном фотоэлектронном электрическом эффекте максимальная величина тока в пределах 12,0 мА, а без ультразвукового воздействия на структуру фотопреобразователя величина постоянного тока находилась в пределах 4,2 мА. Для получения данных токовых величин фотоэлементом, созданным на базе монокристаллического кремния, частота ультразвукового воздействия на данный фотоэлемент изменялась в пределах 32,0-42,9 мГц.
Акусторезонансный фотоэлектронный переменный электрический ток от естественного светового освещения показан с частотными и амплитудными токовыми величинами на Фиг. 4.
Схема предложенного акусторезонансного фотоэлектрического элемента представлена на Фиг. 5.
Фотоэлемент содержит кремниевую пластину (1) толщиной 380 мм, диаметром 100,0 мм, с расположенными на ее поглощающей поверхности (2) токосъемными контактами и пьезопреобразователем (3), создающим поперечные высокочастотные ультразвуковые сдвиговые волны.
Фоточувствительный слой показан в виде синусоидальной волны (4), при этом тыльная токосъемная сторона фотопреобразователя энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию (5) полностью покрыта токосъемным сплошным металлическим контактом.
Предложенный фотоэлектрический элемент, являющийся одним из главных компонентов в образовании солнечных батарей, работает следующим образом. Электромагнитные волны светового потока с длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового излучения, падая на поглощающую поверхность фотопреобразователя (2) и проходя в приповерхностный фоточувствительный слой, отдают свою энергию переброшенным электронам, осевшим в энергетической валентной зоне атомов с ее расщепленных на четыре энергетических подуровней, расположенных симметрично относительно основной энергетической линии валентной зоны атомов фотопреобразователя. Перевод электронов с нижних электронных орбит возбужденных атомов в валентную энергетическую зону фотопреобразователя, осуществляемый в результате периодического акусторезонансного ультразвукового воздействия на структуру фотоэлемента, является существенным дополнительным источником повышения величины тока.
Для качественной оценки действия переменного тока, полученного с помощью данной схемы преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, был проведен эксперимент по нагреву переменным током кусочка нихромовой проволочки диаметром 0,9 мм и длиной приблизительно 1,5 см, контролируемого лабораторным термометром, приставленным к этой проволочке. Величина полученного тока контролировалась осциллографом через фотонапряжение, снимаемое с параллельно соединенных между собой сопротивления в 5,0 Ом и нихромового сопротивления в 1,2 Ом, в свою очередь подсоединенных параллельно к фотопреобразователю. При этом общая величина параллельно соединенных сопротивлений составляла порядка 1,3 Ом, проходящий через это сопротивление общий ток достигал величины 1,7 А, а величина напряжения, снимаемого с параллельно-соединенных сопротивлений, присоединенных к фотопреобразователю, преобразующего поглощенную энергию электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию, составляла величину переменного напряжения порядка 2,2 В. Величина температуры нагрева, снимаемая с нихромового сопротивления, изменялась при прохождении тока через него в течении 5 минут при комнатной температуре с 21°С до 25,3°С.
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 LV151086, 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 В.В., 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.