Преобразователь тепловой энергии на основе вторичного литого поликристаллического кремния

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №3_

ФИЗИКА

УДК 537.312.5, 539.21, 621.315.592

А.Л.Кадыров

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ЛИТОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Худжандский государственный университет им. академика Б.Гафурова

Приводится сравнение преобразователей солнечной и тепловой энергии на базе полупроводникового кремния различной модификации. Предлагается дешевый и более эффективный преобразователь тепловой энергии из вторичного литого поликристаллического кремния. Указывается на перспективность использования немонокристаллических, наноструктурированных и композиционных материалов.

Ключевые слова: нефотоактивная составляющая солнечного излучения, преобразователи солнечной и тепловой энергии, вторичный литой поликристаллический кремний.

Одной из актуальных задач альтернативной энергетики является создание устройств, позволяющих использовать инфракрасную составляющую солнечного излучения, а также преобразовывать в электричество тепло нагретых тел. Пока прямое преобразование в электроэнергию нефотоактивной составляющей солнечного излучения и тепла природного или техногенного происхождения осуществляется с помощью установок на основе эффекта Зеебека [1]. Современные тенденции в изучении термоэлектричества ясно указывают на особый интерес исследователей к немонокристаллическим, наноструктурированным и композиционным материалам [2]. Иногда сочетание полезных свойств перечисленных материалов в той или иной степени можно совместить - именно к такой комбинации относятся так называемые поликристаллические, микрокристаллические, а в особенности, порошкообразные, гранулированные полупроводниковые материалы. Ярким примером такого материала считается вторичный литой поликристаллический кремний (ВЛПК) [3]. Для получения материалов с повышенным содержанием глубоких уровней отливались слитки ВЛПК [3], легированные Fe, Cu и другими глубокими примесями.

Термоэлектрические свойства указанных материалов, в частности обнаруженные на кремниевых образцах, в том числе на ВЛПК, обладают большим своеобразием. Особый интерес представляет впервые экспериментально зафиксированный на ВЛПК [4] тепловольтаический эффект, заключающийся в генерации в изотипном, однородно нагретом преобразователе тепловой энергии из ВЛПК ЭДС, величина которой в десятки раз превышает таковую, которая могла бы возникнуть, если допустить наличие в теле преобразователя неконтролируемого в эксперименте градиента температуры. Указанный эффект, реализованный в поликристаллическом материале, а именно на ВЛПК, и был положен в основу разработанного нами преобразователя энергии, рассматриваемого в данной работе.

Адрес для корреспонденции: Кадыров Абдулахат Лакимович. 735700, Республика Таджикистан, г. Худжанд, пер. Мавлонбекова, 1, Худжандский государственный университет. E-mail: abdulakhatkadirov@gmail.com

Традиционные преобразователи энергии [5] содержат полупроводниковое, в 93% случаев -кремниевое рабочее тело, выполненный в нём р-п переход и омические контакты для подключения к внешней электроцепи. Рабочее тело преобразователя [5] обычно выполняется из монокристаллического или крупноблочного поликристаллического кремния, а сам он под названием «фотопреобразователь» или «солнечный элемент» (СЭ) является основным компонентом современной фотовольтаи-ческой гелиоэнергетики. Однако СЭ [5] не может преобразовывать часть спектра солнечного излучения с длиной волны А>1.1 мкм, тогда как на диапазон длин волн ^=0.75^3.0 мкм приходится ~44% всей энергии излучения Солнца, доходящей до земной поверхности. Вследствие этого предельный теоретический КПД СЭ не превышает 30%. Естественно, что по этой же причине СЭ не может использовать тепло нагретых тел, например геотермальное, тепло от тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и так далее. В [6] был рассмотрен преобразователь энергии, который также содержит рабочее тело, выполненное в виде пластины, но из немонокристаллического кремния, при том, в отличие от всех известных вариантов [5], содержащего глубокие энергетические уровни с р-п переходом, омическими контактами и селективным покрытием, преимущественно пропускающим тепловое излучение. Именно выполнение рабочего тела преобразователя [6] из немонокристалличе-ского кремния с глубокими энергетическими уровнями и позволяет добиться его значительных преимуществ перед СЭ [5] в части преобразования нефотоактивного излучения. Однако опытные образцы известных из литературы преобразователей энергии, выполненных по аналогии с [6], например из пластин технического кремния (ТК), имеют низкую энергетическую эффективность. Принципиальной оказалась трудность, или, попросту, невозможность создания в рабочем теле такого планарного преобразователя [6] заметного градиента температуры между разнополярными омическими контактами вследствие малой толщины и высокой теплопроводности рабочего тела, представляющего собой кремниевую пластину толщиной ~ 300 мкм, на одной из плоскостей которой выполнен сплошной р-п переход. Такая конструкция преобразователя [6], являясь механическим заимствованием из конструкции СЭ [5], не учитывает и, в принципе, не может учитывать специфические особенности нового физического явления - примесного тепловольтаического эффекта [4], положенного в основу работы преобразователя [6]. Упомянутый эффект, будучи по своей физической природе близким к термоэлектричеству, ярче проявляется при наличии в образце градиента температуры. А создать и управляемо поддерживать его в рамках традиционной конструкции [5,6] просто невозможно.

В конструкции, описанной в настоящей работе, на наших ВЛПК образцахсделана попытка создания сравнительно дешёвого и более эффективного по сравнению с [6] преобразователя тепловой энергии (ПТЭ). В его основу, как и в [6], положено использование немонокристаллического кремния с глубокими энергетическими уровнями и, соответственно, тепловольтаического эффекта. Сущность нашей разработки поясняется рисунком. Здесь 1 - рабочее тело, выполненное в виде пластины из ВЛПК р-типа проводимости с удельным сопротивлением р ~ 1 Ом см и с размером зёрен ~ 300 мкм. В шихту для выплавки данной партии ВЛПК вводили ТК, содержащий, по определению, примесь железа, дающую глубокие энергетические уровни, что явилось необходимым и достаточным условием обеспечения пороговой концентрации глубоких уровней >1018см-3, которая обеспечивает проявление примесного тепловольтаического эффекта [6]. У верхнего края рабочего тела , то есть пластины

на рисунке, выполненного любым известным способом, в нашем случае диффузией фосфора, р-п -переход - 2, на глубину ~ 2 мкм, который размещён на обеих поверхностях этой части пластины и на всех прилегающих к ним торцах. На противоположном краю рабочего тела 1 (внизу пластины) выполнен изотипный р-р+ - переход 3, также находящийся на части обеих поверхностей и на всех прилегающих к ним торцах. Так как исходный ВЛПК был р-типа, то изотипный р-р-переход, выполняли диффузией бора на глубину 2 - 3 мкм, в случае п-типного рабочего тела изотипный переход надо выполнять в виде п-п+, например диффузией или ионной имплантацией фосфора. Свободные поверхность областей р-п-перехода 2 вверху и изотипного перехода 3 внизу рабочего тела со всех сторон охвачены разнополярными омическими контактами, соответственно 4 и 5, выполненными, например, как в нашем случае, вакуумным напылением плёночных композиций Т - № - Си или Т - Си, обычно применяемых в качестве контактных покрытий на СЭ наземного применения [3]. Свободный промежуток поверхности рабочего тела между разнополярными контактами 4 и 5 покрыт на обеих поверхностях и на свободных торцах пластины слоем теплоизолирующего диэлектрического материала, работающего в качестве селективного покрытия 6, но не так, как тонкое, порядка 0.1 мкм и менее, просветляющее покрытие, применяемое в СЭ [5], то есть преимущественно пропускающее к рабочему телу излучение с заданной длиной волны, а, как в [6], наоборот, не выпускающее тепловое излучение из рабочего тела наружу и не пропускающее его снаружи вовнутрь. В качестве теплоизолирующего диэлектрического материала для селективного покрытия 6 могут быть использованы те же самые известные материалы, используемые для просветляющих покрытий, например слой двуокиси кремния @Ю2), но значительно более толстый, ~ 0.6 - 0.8 мкм и выше, нанесенные на свободные от контактов обе боковые поверхности и торцы рабочего тела любым известным способом, например вакуумным напылением через маски или таким доступным эргономически выгодным способом, каковым является гидролиз паров тетрахлорида кремния в токе слегка подогретого инертного газа.

ш

инш1

а) б)

Рис. Преобразователь энергии с рабочим телом в виде пластины из ВЛПК: а) - вид сбоку; б) вид в плане. Обозначения приведены по тексту статьи.

Стрелки с надписями «Подвод тепла» вверху и «Отвод тепла» внизу вблизи изотипного перехода 3 показывают направление теплового потока и, соответственно, градиента температуры вдоль рабочего тела, при котором оценивалась, по аналогии с [6], энергетическая эффективность предлагаемого преобразователя энергии. Электроды для соединения с внешней электроцепью обозначены 7.

При помещении ПТЭ в тепловой поток с обеспечением градиента температуры, как показано на рисунке, в его рабочем теле из ВЛПК, вследствие проявления примесного тепловольтаического эффекта, происходит генерация носителей тока, возникающая с участием глубоких энергетических уровней, за счёт поглощения нефотоактивного теплового излучения, которые, разделяясь р-п-переходом 2, идут к разнополярным омическим контактам 4 и 5. При этом отрицательно заряженные носители в случае выполнения самого рабочего из немонокристаллического кремния р-типа дополнительно ускоряются в электрическом поле изотипного р-р-перехода 3. Аналогично, при п-типном выполнении рабочего тела ПТЭ теплогенерированные дырки ускоряются на пути к контакту 5 электрическим полем изотипного п-п+-перехода 3. На омических контактах 4 и 5 появляется разность потенциалов, которая при разомкнутой цепи измеряется на электродах 7 в виде напряжения холостого хода (Ц„). Замыкание электродов 7 на амперметр позволяет измерить 1кз. Подключение к электродам 7 нагрузки с внутренним сопротивлением 0<R<да сопровождается получением на ней тока и напряжения, которые тем выше, чем мощнее тепловой поток (показан стрелками) и чем больше градиент температуры вдоль рабочего тела. Сохранению и стабилизации градиента температуры способствует селективное покрытие 6, которое препятствует как неконтролируемому входу тепла с боков пластины в объём рабочего тела, так выходу тепла из него.

Проведенные нами сопоставительные испытания ПТЭ, выполненных из одного и того же материала - описанного ранее ВЛПК с глубокой примесью Fe в варианте [6], реализованном ранее в [7], но на основе ТК, переплавленного в солнечной печи, и в нашем варианте однозначно указывают на преимущество предлагаемого ПТЭ (см. таблицу).

Таблица

Сопоставление энергетических параметров преобразователей тепловой энергии, имеющих одинаковую площадь (1^1 см2) и одинаковую массу

Параметр Вариант на основе технического кремния Существующий вариант из ВЛПК Предлагаемый преобразователь из ВЛПК

1кз при 200°С, мкА 200 320 3 000

ихх при 200°С, мВ 0.5 5 60

На испытаниях предлагаемого ПТЭ область пластины с р-п-переходом нагревали, а другой конец пластины с р-р-переходом прижимали к водоохлаждаемому столику. Температура ~200°С (см. табл.) соответствует, таким образом, температуре, измеренной на области пластины с р-п-переходом. Рабочий ток и генерируемое напряжение у него в десятки раз превосходит показатели преобразователя из ТК, а также его варианта, изготовленного нами ранее из ВЛПК.

Таким образом, проведённые испытания свидетельствуют о целесообразности создания подобных устройств, в том числе, например, по типу своеобразных «радиаторов» в виде батарей из установленных в ряд нескольких ПТЭ, например, с тыльной стороны СЭ с обеспечением теплового и электрического контакта, и тем самым дающих возможность скомпенсировать падение паспортной мощности СЭ, при повышенных температурах эксплуатации.

Поступило 10.11.2017 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иоффе Ф.И. Полупроводниковые термоэлементы. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1960, 251с.

2. Дмитриев А.В., Звягин И.П. - УФН, 2010, т.180, №8, с.821 - 838.

3. Кадыров А.Л. Исследование электрофизических свойств вторичного литого поликристаллического кремния и солнечных элементов на его основе: Дисс. к. физ.-мат. н. - Худжанд, 2002, 147 с.

4. Саидов М.С., Абдурахманов Б.М, Олимов Л.О. Примесный тепловольтаический эффект границ зерен поликристаллического кремниевого солнечного элемента. - Гелиотехника, 2007, № 4, с. 8-13.

5. Колтун М.М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987, 192 с.

6. Саидов М.С. Особенности и перспективы использования примесного тепловольтаического эффекта полупроводниковых структур. - Гелиотехника, 2007, №4, с.3-6.

7. 7. Саидов А.С., Абакумов А.А., Саидов М.С., Усмонов Ш.Н., Холиков К.Т. Тепловольтаические свойства солнечно-плавленного технического кремния. - Гелиотехника, 2007, №4, с.102-104.

А.Л.Кодиров

ТАБДИЛДИХДНДАИ ЭНЕРГИЯИ ГАРМЙ ДАР АСОСИ КРЕМНИИ ПОЛИКРИСТАЛЛИИ ДУБОРА ГУДОХТАШУДА

Донишго^и давлатии Хуцанд ба номи академик Б.Рафуров

Мукоисаи табдилдиандадои энергияи офтобй ва гармии дар асоси кремнии нимнокилии намуддои гуногун сохта шуда оварда мешавад. Табдилдидандаи нисбатан арзон ва самаранок-тари аз кремнии поликристаллии дубора гудохташуда пешнидод карда мешавад. Ояндадор бу-дани истифода аз маводдои гайри монокристаллй, наносохтор дошта ва композитсионй нишон дода шудааст.

Калима^ои калиди: цисми гайрифаъоли нури офтобй, табдилдиуандауои энергияи офтобй ва гармй, кремнии поликристаллии дубора гудохташуда.

A.L.Kadirov

THERMAL ENERGY CONVERTER ON THE BASIS OF SECONDARY CAST

POLYCRYSTALLINE SILICON

B.Gafurov KhujandState University

Comparison of solar and thermal energy converters based on semiconductor silicon of various modifications is presented. A cheaper and more efficient thermal energy converter from secondary cast polycrys-talline silicon is proposed. The prospects of using non-monocrystalline, nanostructured and composite materials are pointed out.

Key words: non-photoactive component of solar radiation, converters of solar and thermal energy, secondary castpolycrystalline silicon.