Солнечный термоэлектрический холодильник

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Латышев Сергей Викторович Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Солнечный термоэлектрический холодильник, содержащий термоэлектрический элемент, выполненный с структурой из широкозонного полупроводника, в котором на -слое сформирован -слой, толщиной от 0,3 до 0,5 , где- диффузионная длина свободных электронов, на который нанесен просветляющий слой из проводящего светопрозрачного материала толщиной от 0,5 до 2 мкм, на котором сформирован решетчатый омический контакт -слой выполнен толщиной от 0,5 до 1,5 , -слой выполнен толщиной от 0,7 до 0,9 , причем суммарная толщина обедненных областей и -переходов составляет от 0,5 до 0,9 , -слой выполнен толщиной от 2 до 5 , а -слой,сформированный на -слое, выполнен толщиной от 0,2 до 0,5 для обеспечения омического контакта с металлическим основанием, электрически соединенным с решетчатым омическим контактом. 18317 1 2014.06.30 Изобретение относится к полупроводниковым термоэлектрическим холодильникам,функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных агрегатах бытовых и специальных холодильных аппаратов. Известен термоэлектрический солнечный холодильник 1, который содержит несколько термоэлектрических модулей, каждый из которых состоит из множества объединенных попарно термоэлектрических элементов. На одной стороне каждого модуля имеется рабочий канал, на другой стороне модуля размещен теплообменник. Такой полупроводниковый термоэлектрический солнечный холодильник обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Также известен термоэлектрический солнечный холодильник 2, включающий термоэлектрические преобразователи термопарного типа с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Такой термоэлектрический холодильник обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Прототипом предлагаемого устройства является термоэлектрический солнечный холодильник 3, содержащий структуру из широкозонного полупроводника, в которой сформирован на -слое -слой, нанесены просветляющий слой и решетчатый омический контакт. При этом -слой структуры выполнен толщиной (0,51,5) , где- диффузионная длина свободных электронов, а -область структуры выполнена толщиной (2-5) . Недостатками прототипа являются а) просветляющий слой солнечного термоэлектрического холодильника выполнен из непроводящего диэлектрического материала, что существенно снижает число носителей заряда, поступающих на внешние электроды холодильника б) усложняется конструкция и существенно усложняется технология формирования солнечного термоэлектрического холодильника, поскольку для изготовления структуры просветляющий слой - решетчатый омический контакт потребуется использовать дополнительно две операции фотолитографии. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение температуры охлаждения солнечного термоэлектрического холодильника. Поставленная задача достигается тем, что в солнечном термоэлектрическом холодильнике, содержащем термоэлектрический элемент с структурой из широкозонного полупроводника, в котором на -слое сформирован -слой, толщиной от 0,3 до 0,5 , где- диффузионная длина свободных электронов, на который нанесен просветляющий слой из проводящего светопрозрачного материала толщиной от 0,5 до 2 мкм, на котором сформирован решетчатый омический контакт -слой выполнен толщиной от 0,5 до 1,5 , -слой выполнен толщиной от 0,7 до 0,9 , причем суммарная толщина объединенных областей - и переходов составляет от 0,5 до 0,9 , -слой выполнен толщиной от 2 до 5 , а -слой, сформированный на -слое, выполнен толщиной от 0,2 до 0,5 для обеспечения омического контакта с металлическим основанием, электрически соединенным с решетчатым омическим контактом. На фиг. 1 изображена конструкция солнечного термоэлектрического холодильника(СТХ), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно солнечный термоэлектрический холодильник состоит из полупроводниковой структуры, включающей -слой 1 широкозонного полупроводника, -слой 2 широкозонного полупроводника и -слой 3 того же широкозонного полупроводника. На -слое 3 широкозонного полупроводника, являющегося подложкой, сформирован-слой 4, который жестко размещен на металлическом основании 5 и является омическим контактом к этому основанию. На -слое 1 широкозонного полупроводника сформирован сильнолегированный -слой 6 широкозонного полупроводника в структуре, на котором размещен проводящий слой 7 из светопрозрачного материала, выполняющий функцию просветляющего слоя. Металлическое основание 5 электрически соединено с решетчатым омическим контактом 8 проволочными выводами 9. 2-слой 1 солнечного термоэлектрического холодильника изготавливается из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем их жизни, низкой концентрацией собственных носителей и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из кремния или арсенида галлия. В нем под воздействием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Ширина -слоя 1 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих перехода, который обеспечивает дрейф электронов в область и диффузию дырок к -слою 6 широкозонного полупроводника. Его ширина зависит от концентрации носителей в -слое 1 и -слое 2 широкозонного полупроводника и составляет величину (0,5-1,5) , где- диффузионная длина электронов.-слой 2 широкозонного полупроводника легирован донорной примесью с концентрацией (10161019) см-3, его толщина выбирается из условия плавного монотонного снижения энергии экстрагируемых через переход электронов до энергии свободных электронов в-слое 2 широкозонного полупроводника без повышения в нем температуры. Как показали результаты эксперимента, толщина -слоя 2 широкозонного полупроводника составляет (0,7-0,9) .-слой 3 широкозонного полупроводника составляет с -слоем 2 резкий -р-переход,он легирован акцепторной примесью с концентрацией (10161019) см-3, его толщина определяется полным поглощением в нем тепловой энергии решетки элетронами, экстрагируемыми из -слоя 2 широкозонного полупроводника и, как показали результаты эксперимента, составляет (25)или равен толщине используемой полупроводниковой подложки. Сильнолегированный-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на-слое 3 путем введения высокой концентрации акцепторной примеси(10201021)см-3,обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с металлическим основанием 5. Его толщина составляет (0,20,5) . Аналогичной толщиной (0,20,5)и концентрацией легирующей примеси обладает сильнолегированный -слой 6 широкозонного полупроводника, размещенный на -слое 1. Для повышения коэффициента поглощения фотонов от воздействия солнечного излучения структурой термоэлектрического солнечного холодильника на поверхность слоя 6 нанесен слой проводящего материала 7 из светопрозрачного материала, который выполняет функцию просветляющего слоя, снижающего поверхностную рекомбинацию носителей заряда на границе -слой 6 - проводящий слой 7. Толщина проводящего слоя 7 из светопрозрачного материала ( 0,0) составляет (0,52,0) мк. При контакте невырожденных полупроводников количество поглощаемой тепловой энергии в -слое 3 от инжектированных в нее электронов из -области 2 зависит от соотношения концентрации электронов в этих областях (/) с учетом того, что через переход инжектированные из -слоя 1 электроны практически переходят в -слой 2 без потерь. Для повышения высоты потенциального барьера второго резкого перехода,определяющей разность энергий электронов на его границах, -слой 2 легирован донорной примесью с концентрацией примеси(10 1 7 10 1 9 ) см-3, а -слой 3 легирован акцепторной примесью с концентрацией(10 1 0 10 1 1 ) см-3. Поскольку концентрация электронов в -слое 2 при инжекции фотогенерированных электронов из -слоя 1 достигает 1019 см-3 и выше, а концентрация собственных электронов -области 3 широкозонного полупроводника составит(10 7 10 8 ) см-3, то соотношение/1010. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в -слое 3 широкозонного полупроводника также зависит от разности энергий инжектированных из-слоя 2 электронов и энергии электронов в -слое 3 широкозонного полупроводника, то есть от параметра 2 /1, где- коэффициент, учитывающий соотношение энер 3-слое 21 и -слое 3 широкозонного полупроводника 2,- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Для структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод на основе кремния коэффициент 2,2. Для обеспечения максимальной инжекции электронов из -слоя 2 в -слой 3 широкозонного полупроводника через резкий переход и минимизации потерь энергии электронов в его обедненных областях суммарная толщина обедненных - и -областей резкого перехода составляет (0,50,7) . Солнечный термоэлектрический холодильник работает следующим образом. При воздействии квантов солнечного света либо фотонов от других источников излучений на рабочую поверхность (-слой 6) термоэлектрического солнечного преобразователя светопрозрачного омического контакта 7 фотоны с энергиейпоглощаются в -слое 1 широкозонного полупроводника, создавая в этом слое избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями(1),,где- квантовый выход- коэффициент поглощения света в -слое 1- интенсивность солнечного излучения ,- время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители устремляются к переходу, разделяются его полем, причем электроны дрейфуют в -слой 2 широкозонного полупроводника, а дырки - к -слою 6 широкозонного полупроводника, захватываются его полем и переносятся в омический контакт. Вследствие разделения зарядов на переходе возникает фотоЭДС , максимальное значение которой при холостом ходе(ф /) ,(2) и течет ток через переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками1 ф . Здесь ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности- ток насыщения перехода. В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями с концентрациямии , определяется выражениемф.(4) Нагрузкой фотоЭДС, формируемой при поглощении солнечного излучения, является резкий переход, внешний электрический вывод которого закорочен на металлическое основание 5, причем напряжениеявляется прямым напряжением, прикладываемым к переходу. Напряжениепрямой полярности и градиент концентрации носителей в -слое 2 широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из -слоя широкозонного полупроводника 2 через третий резкий переход в -слой 3, причем плотность тока через него описывается зависимостью где- ток насыщения , ,- соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана,температура 1-1,5 - поправочный коэффициент. При последовательном соединении и переходов их ток является общим, то естьф. Инжектирующие в -слой 3 широкозонного полупроводника через резкий переход электроны на расстоянии диффузионной длиныпоглощают из кристаллической решет 4 18317 1 2014.06.30 ки этого слоя энергию и повышают ее до величины энергии в -слое. В результате отбора энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки -слоя 3 ее температура и соответственно температура преобразователя солнечной энергии понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостьюП,(6) где П - коэффициент Пельтье,- ток, протекающий через резкий - переход широкозонного полупроводника сечением- время протекания тока. Коэффициент Пельтье для перехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимости где- коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в - и -областяхи- концентрация собственных электронов в - и -слоях перехода. Для предлагаемой структуры коэффициент 2,0, а отношение (/)6. Поэтому с учетом (7) поглощаемая тепловая энергия полупроводниковым преобразователем солнечной энергии в холод по сравнению с устройствами-аналогами при одинаковых значениях величинивозрастает в 2,0 10/63 раза. Повышение стабильности работы предложенного устройства в сравнении с аналогами заключается в существенном упрощении его конструкции и использовании в качестве теплопоглощающей области широкозонного полупроводника. Создано экспериментальное устройство - солнечный термоэлектрический холодильник, выполненный структурой плавный переход и -резкий переход с омическими контактами, электрически соединенными с металлическим основанием 5.-слой 4 и -слой 6 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации 51020 см-3, их толщина составляет 0,2 мкм. -слой 1 представляет собственный кремний толщиной 1 мкм, переход выполнен плавным шириной 1,2 мкм, на нем и ширине -слоя 2 снижается энергия фотоэлектронов до уровня энергии электронов в -слое кремния. Этот -слой легирован донорной примесью - фосфором до 1017 см-3 и сформирован толщиной 0,8 мкм. Суммарная толщина резкого перехода составляет 0,5 мкм. -слой 3 кремния сформирован путем легирования бором с концентрацией 51018 см-3. Его толщина выбрана с учетом полного поглощения инжектированными из -слоя 2 электронами энергии его решетки и составляет 5 мкм. Металлическое основание выполнено из алюминия толщиной 1 мм. Экспериментальный солнечный термоэлектрический холодильник при интенсивности солнечного излучения 70 мВт/см-3 позволяет получать предельную температуру охлаждения-2 С, расчетная надежность безотказной работы устройства составляет 105 ч. Для аналогов эти параметры соответственно составляют 10 С и 2104 ч. На базе предлагаемого устройства при использовании матрицы элементов может быть создан солнечный термохолодильник требуемых объемов охлаждения и температур. Технико-экономические преимущества предлагаемого солнечного термоэлектрического холодильника в сравнении с базовыми устройствами - аналогами 1. Более чем в 3 раза возрастает предельная температура охлаждения. 2. Более чем в 4 раза повышается стабильность работы устройства. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.