Электронный тонкопленочный элемент

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Электронный тонкопленочный элемент, содержащий прозрачную диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой сформирован нижний проводящий слой в виде проводящих областей, гальванически отделенных друг от друга и образующих электродный рисунок, причем проводящие области расположены, по меньшей мере, на двух уровнях, имеющих различные положения в направлении, перпендикулярном плоскости прозрачной диэлектрической подложки, и активные слои, отличающийся тем, что на внешней стороне прозрачной диэлектрической подложки, по меньшей мере, один уровень проводящих областей расположен на расстоянии 10-150 нм от внешней поверхности, при этом проводящие области всех уровней составляют внешний активный слой и содержат в одном направлении, параллельном плоскости прозрачной диэлектрической подложки, с одной стороны электрические связи, а с другой стороны - наноразмерные зазоры величиной 10-25 нм, другой, по меньшей мере один, активный слой расположен на внутренней стороне прозрачной диэлектрической подложки и выполнен зеркально или частично отражающим видимый и ИК-диапазоны длин волн электромагнитного излучения. 13885 1 2010.12.30 Изобретение относится к области полимерных электронных технологий и предназначено для создания элементов преобразования энергии солнечного излучения широкого спектрального диапазона в электричество и высокоэффективных автономных источников электроэнергии в прозрачных строительных конструкциях. Наиболее близким по технической сущности является электронный тонкопленочный элемент 1, содержащий диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой сформирован нижний проводящий слой в виде проводящих областей, гальванически отделенных друг от друга и образующих электродный рисунок посредством выполнения на нижнем проводящем слое операции механической обработки на основе рельефного выдавливания высечкой, причем проводящие области расположены, по меньшей мере, на двух уровнях, имеющих различные положения в направлении, перпендикулярном плоскости диэлектрической подложки и один или несколько верхних активных слоев, сформированных поверх электродного рисунка. Устройство содержит активные слои только на одной стороне диэлектрической подложки, поэтому оно не может иметь достаточную эффективность, в том числе и при формировании полупроводникового активного слоя для выполнения однокаскадного тонкопленочного солнечного элемента, КПД которого ограничен величиной 610 . Такой элемент имеет низкий коэффициент поглощения и отражения в ИК-области электромагнитных волн. Техническая задача - увеличение эффективности устройства путем повышения КПД преобразования солнечной радиации в электричество при одновременном расширении функциональных возможностей устройства за счет эффективного поглощения и отражения части ИК-излучения солнечного спектра. Поставленная техническая задача решается тем, что в электронном тонкопленочном элементе, содержащем прозрачную диэлектрическую подложку, на внешней стороне которой сформирован нижний проводящий слой в виде проводящих областей, гальванически отделенных друг от друга и образующих электродный рисунок, причем проводящие области расположены, по меньшей мере, на двух уровнях, имеющих различные положения в направлении, перпендикулярном плоскости диэлектрической подложки, и активные слои,на внешней стороне прозрачной диэлектрической подложки, по меньшей мере, один уровень проводящих областей расположен на расстоянии 10-150 нм от внешней поверхности,при этом проводящие области всех уровней составляют внешний активный слой и содержат в одном направлении, параллельном плоскости прозрачной диэлектрической подложки, с одной стороны электрические связи, а с другой стороны - наноразмерные зазоры величиной 10-25 нм, другой, по меньшей мере один, активный слой, расположен на внутренней стороне прозрачной диэлектрической подложки и выполнен зеркально или частично отражающим видимый и ИК-диапазоны длин волн электромагнитного излучения. Совокупность указанных признаков позволяет решить поставленную техническую задачу за счет расширения спектра преобразуемого электромагнитного излучения солнечной радиации в электричество, а также эффективного поглощения и отражения ИК-диапазона солнечного излучения, что позволяет использовать предлагаемое изобретение и для ослабления теплового потока в окна зданий, автомобилей и т.д. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых соответственно приведены схема расположения элементов устройства и топология внешнего активного слоя, состоящего из проводящих приемных областей, где обозначены 1 - прозрачная диэлектрическая подложка,2 - проводящие области внешнего активного слоя,3 - внутренний активный слой,4 - проводящие области выходные,5 - наноразмерные зазоры,6 - проводящие приемные области. Падающее солнечное излучение видимого 1 и инфракрасного (ИК) 2 диапазонов электромагнитных волн оптически связано с проводящими областями внешнего активного 2 13885 1 2010.12.30 слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1 непосредственно. Это же излучение, но преломленное и отраженное, как указано на фиг. 1, также оптически связано с проводящими областями внешнего активного слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1 через нее и внутренний активный слой 3. Проводящие области выходные 4 электрически связаны как непосредственно, так и туннельно через наноразмерные зазоры 5 с проводящими приемными областями 6, фиг. 2. В конкретном исполнении прозрачная диэлектрическая подложка 1 - это тонкопленочный прозрачный материал, который выполнен, например, из полиэтилентерефталата (диэлектрического прозрачного материала). Размеры ее выбраны в соответствии с габаритами серийно выпускаемых оконных стеклоблоков или фонарей крыш. Проводящие области внешнего активного слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1 - это гальванически отделенные участки слоя никеля толщиной 0,130,15 мкм на внешней скользящей стороне, осажденного методом распыления под углом к направлению, ортогональному плоскости прозрачной диэлектрической подложки 1. Топология проводящих областей внешнего активного слоя 2 представлена на фиг. 2. Если перед напылением никеля выполнить на внешней стороне диэлектрической подложки 1 наноразмерные и микроразмерные углубления по технологии, аналогичной приведенной в 1, то проводящие области внешнего активного слоя получаются после одного процесса распыления никеля. Он состоит из проводящих приемных областей 6, которые через наноразмерные зазоры 5 туннельно включены последовательно и параллельно. Внутренний активный слой 3 диэлектрической подложки 1 - это осажденный методом распыления сплошной слой алюминия толщиной 0,5 мкм на внутренней нескользящей стороне. Проводящие области выходные 4 - это места скользящей стороны диэлектрической подложки 1, не имеющие наноразмерных и микроразмерных углублений. Поэтому при распылении они покрываются никелем равномерно. Наноразмерные зазоры 5 - это расстояния 1025 нм между проводящими областями внешнего активного слоя 2 диэлектрической подложки 1, которые получаются при вышеописанном распылении в местах выполнения наноразмерных углублений. Проводящие приемные области 6 - это несимметричные полуволновые вибраторы,выполненные из никеля, наибольший размер которых не превышает половины длины волны принимаемого солнечного излучения, топология которых представлена на фиг. 2. Работа устройства осуществляется следующим образом. Солнечное излучение с длиной волны 1 видимого диапазона электромагнитных волн, попадая на внешнюю сторону прозрачной диэлектрической подложки 1 под углом, близким к нормальному падению,практически полностью поглощается проводящими приемными областями 6 - несимметричными полуволновыми вибраторами соответствующих размеров. Под действием электрического поля указанного электромагнитного излучения свободные электроны никеля последовательно туннелируют через заостренные концы проводящих приемных областей 6 и наноразмерные зазоры 5. Таким образом осуществляется преобразование энергии видимого диапазона солнечного электромагнитного излучения в энергию электрического тока высокой частоты, соответствующей падающему излучению, с последующим его детектированием в постоянный электрический ток в наноразмерных зазорах 5. При падении солнечного излучения с длиной волны 1 под углом к поверхности прозрачной диэлектрической подложки 1, отличающимся от нормального падения, часть мощности этого излучения, попадающая на проводящие приемные области 6, будет отражаться наружу, а поглощенная часть излучения преобразуется в энергию постоянного электрического тока вышеописанным образом. В то же время часть мощности этого солнечного излучения, поступающая на участки, не занятые проводящими областями внешнего активного слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1, преломляется и проходит через нее. Затем оно отклоняется от зеркально отражающего солнечное излучение внутреннего активного слоя 3 и поступает на внутреннюю сторону проводящих областей внешнего активного слоя 2. Дальше это излучение аналогичным образом преобразуется в энергию постоянного электрического тока. Так как в данном случае перепад коэффициен 3 13885 1 2010.12.30 тов преломления на границе перехода диэлектрик - металл будет меньше, чем на границе перехода воздух - металл, то создаются условия для поглощения солнечного излучения рассматриваемого диапазона длин волн. Для входного солнечного излучения ИК-диапазона с длиной волны 2 проводящие области внешнего активного слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1 будут полупрозрачными при любых углах падения. Поэтому часть солнечного излучения рассматриваемого диапазона, поглощенная проводящими приемными областями 6 прозрачной диэлектрической подложки 1, преобразуется в энергию постоянного электрического тока аналогичным вышеописанным образом. Прошедшая часть этого солнечного излучения через проводящие приемные области 6 и прозрачную диэлектрическую подложку 1 отклоняется от зеркально отражающего солнечное излучение внутреннего активного слоя 3. После чего поступает на внутреннюю сторону проводящих областей внешнего активного слоя 2, где точно так же преобразуется в энергию постоянного электрического тока. В то же время часть солнечного излучения ИК-диапазона, поступающая на участки, не занятые проводящими областями внешнего активного слоя 2 прозрачной диэлектрической подложки 1,преломляется и проходит через нее. После зеркального отражения от внутреннего активного слоя 3 поглощается в проводящих приемных областях 6 и аналогичным образом преобразуется в электричество. В рассмотренном электронном пленочном элементе энергия всего спектрального диапазона входного солнечного излучения (за исключением ультрафиолетового) преобразуется в энергию постоянного электрического тока. КПД такого широкоспектрального устройства может достигать величины 4060 . Более того, в электронном пленочном элементе также эффективно поглощается и отражается ИК-диапазон солнечного излучения, что позволяет использовать его для ослабления интенсивного теплового потока. Источники информации 1. Заявка России 2006101405 А. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4