Устройство и способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к устройству и способу преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию.

Известно устройство для преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию, содержащее оптический фильтр типа УФС-3 и фотодатчик ФС-К2. Оптический фильтр пропускает только ультрафиолетовое излучение, а фотодатчик преобразует энергию ультрафиолетового излучения в электрическую энергию (Механизация и электрификация сельского хозяйства, М., 2005, № 6, С. 10-11).

Недостатком известного устройства является узкая область (300-400 нм) пропускания оптическим фильтром ультрафиолетового излучения, которое имеет диапазон 200-380 нм.

Другим недостатком является низкая спектральная чувствительность фотодатчика ФС-К2 в области ультрафиолетового излучения.

В настоящее время разработаны высокоэффективные фотопреобразователи солнечного излучения на основе кремния и гетероструктур с КПД 22-35% (Стребков Д.С. Основы солнечной энергетики. М. 2019, изд. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, С. 152-200). Однако известные фотопреобразователи имеют низкую спектральную чувствительность 0,2-0,3 относительных единиц в ультрафиолетовой области спектра.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и способа преобразования всего спектра ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с высокой спектральной чувствительностью и КПД.

Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в диапазоне 200-380 нм.

В результате использования предлагаемого изобретения спектральная чувствительность устройства в ультрафиолетовом диапазоне увеличится до 0,6-0,8 относительных единиц, а эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения увеличится в 2-3 раза.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования ультрафиолетового излучения, содержащем оптический фильтр и фотоэлектрический преобразователь, согласно изобретению, между оптическим фильтром и фотоэлектрическим преобразователем установлены сцинтиллятор и люминофор для преобразования ультрафиолетового излучения в красную область спектра, например, в виде пластины иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y₃Al₅O₁₂:Eu²⁺ или ионов церия Y₃Al₅O₁₂:Се³⁺, а фотоэлектрический преобразователь выполнен с максимумом спектральной чувствительности в красной области спектра 620-780 нм.

Технический результат достигается также тем, что в способе преобразования энергии ультрафиолетового излучения путём выделения ультрафиолетового диапазона спектра в области 200-380 нм с помощью оптического фильтра и преобразования энергии излучения ультрафиолетового диапазона в электрическую энергию согласно изобретению, ультрафиолетовый диапазон спектра излучения преобразуют с помощью сцинтиллятора и люминофора, например, на основе иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов европия Y₃Al₅O₁₂:Eu²⁺ или ионов церия Y₃Al₅O₁₂:Се³⁺ в красный диапазон спектра излучения 620-780 нм, а фотоэлектрический преобразователь имеет максимальную спектральную чувствительность в диапазоне 620-780 нм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема устройства преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию, на фиг. 2 – теоретическая и экспериментальная спектральные характеристики кремниевого преобразователя с КПД 20%.

На фиг. 1 оптическое излучение 1 от Солнца или другого источника излучения поступает на оптический фильтр 2, который выделяет ультрафиолетовое излучение 3 с длиной волны в диапазоне 200-380 нм. Ультрафиолетовое излучение 3 поступает в сцинтиллятор - люминофор 4, например, на основе иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂:Eu²⁺. Сцинтиллятор - люминофор 4 преобразует ультрафиолетовое излучение 3 в излучение 5 с максимумом в красной области спектра 620-780 нм.

Излучение 5 поступает на фотоэлектрический преобразователь 6, имеющий максимальную спектральную чувствительность к излучению 5 в красной области спектра. Электрическая энергия от фотоэлектрического преобразователя 6 поступает по электрическим токовыводам 7 к нагрузке 8. Электрический сигнал на нагрузке 8 регистрируется измерительным прибором 9.

Способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию осуществляют следующим образом.

Ток короткого замыкания фотоэлектрического преобразователя, А/см³, равен

I_кз = q N_ф β Q (1-R), (1)

где q – заряд электрона, q = 1,6×10^-19 К;

N_ф – число фотонов в спектре падающего излучения на 1 см² площади;

β – квантовый выход;

Q – эффективность собирания носителей зарядов;

R – коэффициент отражения.

Спектральная чувствительность С, А/Вт

С = = , (2)

где P – мощность монохроматического излучения, Вт;

hν – энергия фотона;

h – постоянная Планка;

ν – частота излучения.

Принимая ν = , где с – скорость света; λ – длина волны излучения, получим

С(λ) = = , (3)

где к = – постоянная, слабо зависящая от длины волны.

На фиг. 2 теоретическая спектральная чувствительность С(λ) 1 является линейной функцией длины волны λ. Выражение С(λ) = справедливо в диапазоне спектральной чувствительности от λ = 0 до λ = λ₀, при котором квантовый выход β равен нулю. λ₀ называют «длинноволновой границей фотоэффекта» или «границей собственного поглощения».

λ₀ = , где Е_д - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала фотопреобразователя 6. Для фотопреобразователей из кремния λ₀ =1120 нм. Спектральная чувствительность С(λ) фотоэлектрического преобразователя увеличивается с ростом длины волны излучения как для теоретической кривой 1, так и для экспериментальной кривой 2. Увеличение экспериментальной спектральной характеристики по сравнению с теоретической в коротковолновой области обусловлено увеличением квантового выхода для высокоэнергетических фотонов и снижением рекомбинационных потерь за счёт пассивации легированного слоя фотопреобразователя.

Спад спектральной характеристики в длинноволновой области связан с увеличением потерь на пропускание для фотонов с энергией, близкой к энергии запрещённой зоны и уменьшением эффективности собирания при длине волны λ, близкой к λ₀.

Эффективность фотопреобразователя для монохроматического излучения

η = = = S_λmV₀, (4)

где m – коэффициент заполнения вольтамперной характеристики;

V₀ – фотоЭДС;

Р_эл – электрическая мощность фотопреобразователя.

Подставив С(λ) = ,получим

η = к m V₀ λ (5)

Таким образом, эффективность полупроводникового фотопреобразователя при заданных β₀, Q, R, λ₀ увеличивается с ростом длины волны λ.

Сцинтиллятор - люминофор 4 переизлучает поступающие фотоны с большой энергией hν= , соответствующей ультрафиолетовому излучению, в фотоны с меньшей энергией, соответствующей красной области спектра (Г.Р. Асатрян, А.Б. Кулинкин, С.П. Феофилов, К.Л. Ованесян, А.Г. Петросян. Люминесценция кристаллов иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Eu²⁺. Физика твёрдого тела, 2017, т. 59, вып. 3, с. 476-478).

Увеличение длины волны λ приводит к увеличению спектральной чувствительности до 0,6-0,8 относительных единиц и эффективности устройства преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию в 2-3 раза.

Предлагаемое устройство и способ преобразования ультрафиолетового излучения в электрическую энергию может быть использовано для повышения эффективности фотопреобразователей солнечной энергии, создания датчиков ультрафиолетового излучения в сельском хозяйстве, биологии, промышленности и в энергетике.