гетероэлектрический фотоэлемент

известен фотоэлемент [1], включающий металлическую пластину с

нанесенным на эту пластину фоточувствительным слоем, содержащим

слой полупроводника rø-типа и слой поли-т-эпоксипропилкарбазола,

допированного SbCl ₅ , и полупрозрачную пленку золота. недостатком

указанного фотоэлемента является низкий кпд, достигающий в

максимуме лишь 3,2%.

известен также фотоэлемент [2], который выбран в качестве

прототипа данного изобретения. указанный фотоэлемент состоит из

металлической пластины, на которой расположены слои полупроводника

р- и /7-типa с рп переходом между ними, с введенными в полупроводник

/7-типa наночастицами металла размером много меньше длины волны

указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в

указанном слое (1-5) 10 ^" объемных долей, и прозрачного

электропроводящего слоя.

недостатком указанного фотоэлемента также является недостаточно

высокий кпд преобразования энергии электромагнитного светового

излучения в электрическую энергию в заданном спектральном

диапазоне, который не превышает 10%, и низкий фото-эдс, не

превышающий 0,7 в.

целью данного изобретения является устранение указанных

недостатков и повышение кпд и фото-эдс. поставленная цель

достигается тем, что в известном фотоэлементе, преобразующем в

электрическую энергию электромагнитное излучение, содержащем

расположенные на металлической пластине слои полупроводника р- и п-

типа с рп переходом между ними, с введенными в полупроводник п-

типа наночастицами металла размером много меньше длины волны

указанного излучения при концентрации указанных наночастиц в

указанном слое (1-5) 10 ^" объемных долей, в указанный слой

полупроводника и-типа указанные наночастицы введены заключенными

в оболочку, имеющую форму, подобную форме поверхности указанных

наночастиц, выполненную из полимера, например, пвп (поли 2-

винилпиридина), толщиной порядка характерного размера указанных

наночастиц, а также за счет того что, указанные наночастицы,

заключенные в указанную оболочку, расположены в указанном слое

упорядоченно, например, в виде кубической решетки, и одинаково

ориентированы относительно поверхности указанного слоя

полупроводника w-типа.

на фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого

фотоэлемента, где:

1 - металлическая пластина,

2 - слой полупроводника р-rипа,

3 - слой полупроводника rø-типа,

4 - область р-п перехода,

5 -металлические наночастицы, заключенные в полимерную

оболочку, закрепленные слоем прозрачного полимера,

6 - электрические контакты,

7 - падающее излучение,

8 - каскад фотоэлемента (р-п) переход,

9 - каскад фотоэлемента (п-п ⁺ ) переход.

на фиг. 2 для предлагаемого гетероэлектрического фотоэлемента

изображена зависимость поглощения р падающего электромагнитного

излучения от его длины волны λ .

предлагаемый гетероэлектрический фотоэлемент (фиг. 1) работает

следующим образом. металлические, например золотые, наночастицы

имеют плазмонный резонанс в области длин волн около 550 нм. при

заключении в пвп полимерную оболочку область длин волн указанного

резонанса уширяется и смещается в область больших длин волн.

полимерная оболочка, как наночастица, имеет плазмонный резонанс в

области около 900 нм, т. е. в области инфракрасного излучения. таким

образом, будучи введенными в полупроводник и-типа золотые

заключенные в пвп-оболочку наночастицы плюс сама пвп-оболочка

имеют две ярко выраженные области поглощения электромагнитного

излучения (фиг. T).

кроме того, при использовании наночастиц размера (40-50) нм

возникает новый резонанс для квадрупольной составляющей излучения.

например, для случая сферической частицы условие резонанса есть

2Reε+3=ю, где ε - диэлектрическая функция материала наночастицы.

упорядоченно и однородно ориентированно внедренные в

полупроводник наночастицы дают дополнительные узкие плазмонные

резонансы.

таким образом, эффективность гетероэлектрического фотоэлемента

может достигать 80% и более в солнечную погоду и не менее 50% в

пасмурную погоду при использовании кремниевого полупроводника.

увеличение фото-эдс в гетероэлектрическом фотоэлементе

обусловлено возможностью пространственного разделения зарядов не

только в полупроводниковом р-п переходе, но и в переходной области

полупроводник-полимер-металл, где как и в р-п переходе возникают

сильные внутренние электростатические поля двойного слоя зарядов [3].

возникновение дополнительного (п-r?) перехода на границе слоя rø-типа

и пвп-оболочки наночастиц приводит к созданию «втoporo кacкaдa» в

гетероэлектрическом фотоэлементе, и именно в этой приповерхностной

области происходит наиболее эффективная концентрация светового поля

наночастицами.

заключенные в полимерную оболочку металлические наночастицы,

поглощают падающее излучение 7 и переизлучают его часть в виде

сферической волны. при этом плотность энергии W переизлученного

падающего излучения ближней зоны [4,5] оказывается в несколько раз

выше, чем плотность энергии падающего излучения. таким образом,

наночастицы «кoнцeытpиpyют» падающее излучение ближайшей зоны

как обычные линзы или оптические резонаторы.

чем ближе к поверхности полупроводника 3 наночастицы, тем

сильнее увеличивается плотность энергии переизлученного

электромагнитного излучения по сравнению с плотностью энергии

падающего излучения 7. в связи с тем, что внутреннее поле в областях

р-п переходов быстро разделяет фотоиндуцированные носители так, что

они не успевают рекомбинировать, плотность фототока

пропорциональна W [5].

таким образом, гетероэлектрический фотоэлемент совмещает

механизмы увеличения генерации фототока в многокаскадных

фотоэлементах и «кoнцeнтpaцию» электромагнитных полей в области р-

п, (п-п ⁺ ) переходов, что приводит к существенному увеличению

фототока и фото-эдс и, соответственно, кпд предлагаемого

гетероэлектрического многокаскадного фотоэлемента.

пример реализации предлагаемого диэлектрического

фотоэлемента:

стандартная р-типа полупроводниковая пластина, покрытая с одной

стороны металлическим слоем (например, методом вакуумного

напыления), легируется с другой стороны примесью w-типа на заданную

глубину. шарообразные наночастицы золота диаметром 40-50 нм,

полученные методом адсорбции из гидрозоля, покрываются пвп

оболочкой методом адсорбции в 0,5 % растворе указанного полимера в

хлороформе. толщина оболочки 40-50 нм достигается за счет выбора

времени пребывания наночастиц в указанном растворе. далее указанные

заключенные в пвп оболочку наночастицы наносятся методом

островковых пленок на легированную сторону указанной р-τшιа

полупроводниковой пластины. после чего они закрепляются нанесением

тонкого прозрачного полимера, в частности здесь использованного

апс (γ-аминопропилтриметоксилина). затем методом, например,

вакуумного напыления наносятся полосковые металлические контакты.

изготовленный таким образом гетерогенный фотоэлемент имеет кпд

около 70 % в солнечную погоду и не менее 40 % в пасмурную погоду и

фотоэдс не менее 1,5 в.

литература:

1. н.ф. губа и в. д. походенко, AC SU 1806424 аз.

2. о.а. займидорога, и.е. проценко и в.н. самойлов RU 2222846

Cl.

3. р.бьюб «фoтoпpoвoдимocть твердых тeл» москва, изд-во

иностранная литература, 1962, стр.144.

4. л. д. ландау и е.м. лифшиц «Teoρия пoля» москва, изд-во

наука, 1988, стр. 253.

5. с. зи «физикa полупроводниковых приборов)), книга 2, москва,

изд-во мир, 1984, стр. 403.