[image]

Фототермоэмиссионный преобразователь

Перенос из темы «Новости науки и техники вразброс»
 

au

   
★★
Новый механизм поднятия эффективности кремниевых батарей за счёт термионного механизма. Добавляют цезий, поднимают температуру до 200С, эффективность поднимается с 20% до 30~50%. Пока что всё очень сыро. Хотят в концентраторы ставить.

   1.5.01.5.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Чё-т нифига не понял, в чём тут фенька и как оно работает.
   3.0.153.0.15

au

   
★★
Fakir> Чё-т нифига не понял, в чём тут фенька и как оно работает.

Вот оригинальный документ (у меня нет, поспрашивай тут): Photon-enhanced thermionic emission for solar concentrator systems : Nature Materials : Nature Publishing Group
Кое-что там показывают и без доступа, на картинках.
   1.5.01.5.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Чо-т всё равно не въехал...
Дык оно выходит чо - не классическая солнечная батарея как таковая (т.е. не фотоэлемент, пусть и с наворотами), а такой типа фототермоэмиссионный элемент?
   3.0.153.0.15

au

   
★★
Fakir> Дык оно выходит чо - не классическая солнечная батарея как таковая (т.е. не фотоэлемент, пусть и с наворотами), а такой типа фототермоэмиссионный элемент?

Именно. Два и даже три основных эффекта вместо одного: фотоэлектрик + термион + полезное тепло за счёт работы при высокой температуре (200С++).

"“What we’ve demonstrated is a new physical process that is not based on standard photovoltaic mechanisms, but can give you a photovoltaic-like response at very high temperatures,”

“In fact, it works better at higher temperatures. The higher the better,”

PETE device doesn't reach peak efficiency until it is well over 200ºC."

з.ы. Дошло... Это же в РИТЭГ/РИФЭГ в самый раз... С таким-то КПД, у... Надо будет следить за ними! :)
   1.5.01.5.0
Это сообщение редактировалось 05.08.2010 в 21:47
EE Татарин #05.08.2010 22:17  @Fakir#05.08.2010 21:08
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Fakir> Дык оно выходит чо - не классическая солнечная батарея как таковая (т.е. не фотоэлемент, пусть и с наворотами), а такой типа фототермоэмиссионный элемент?
Да. Работа выхода уменьшается за счёт прямого возбуждения светом.
   5.0.375.1255.0.375.125
MD Fakir #06.08.2010 00:13  @Татарин#05.08.2010 22:17
+
-
edit
 

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Так и какая геометрия у их железки?
   3.0.153.0.15

AXT

инженер вольнодумец
★☆

Fakir> Так и какая геометрия у их железки?

В смысле? Геометрия обычная — свет идёт на катод, тот пускает электроны, анод их ловит. В статье рисуют конфигурацию типа "бутерброд" с плоским катодом и плоским же анодом за ним (на теневой стороне), но не факт, что это оптимальная конструкция.
Тем более, что гугление обнаружило в публичном доступе их прошлогодний отчётец по проделанной работе (приаттачиваю, на случай если исчезнет), и конфигурация электродов в этом отчёте обратная, с прозрачным анодом.

Татарин> Работа выхода уменьшается за счёт прямого возбуждения светом.

Как я понял, там ситуация хитрей. Они используют тот факт, что в полупроводнике для электрона проводимости есть минимальная температура, равная ширине запрещённой зоны. А даже скромные 1.1эВ для кремния — это почти тринадцать тыщ кельвинов температуры. И вот они додумались, как электрон с такой температурой дотащить до поверхности катода и дать ему улететь.
Тепловая часть эффекта, как я понимаю, это у них просто способ рециклить энергию от нагрева ИК, рекомбинации фотоэлектронов и прочих потерь. Ну способ напустить туману, заодно.

Хотя, конечно, всю эту зонную теорию и прочую физику я порядком подзабыл, и, возможно, несу бред :)

PS: Ребята вроде бы подали заявку на патент. Участвовавших в проекте студиозусов, как водится, "забыли": Photon enhanced thermionic emission - Patent application
Прикреплённые файлы:
 
   3.6.83.6.8
Это сообщение редактировалось 06.08.2010 в 04:00

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
AXT> В статье рисуют конфигурацию типа "бутерброд" с плоским катодом и плоским же анодом за ним (на теневой стороне), но не факт, что это оптимальная конструкция.
AXT> Тем более, что гугление обнаружило в публичном доступе их прошлогодний отчётец по проделанной работе (приаттачиваю, на случай если исчезнет), и конфигурация электродов в этом отчёте обратная, с прозрачным анодом.

Вот когда он прозрачный - это понятно; но теневой анод... я как-то не очень понимаю, как они обеспечат вылет...


А с точки зрения массового энергетического применения вопросов куча; ну начать с того, что там нужен вакуум. Дальше, если совать под концентратор, да с высоким КПД - там уже и плотности тока будут повыше, и они имеют шансы столкнуться с классической проблемой термоэмиссионных преобразователей - пространственным зарядом; тоже пары цезия пихать станут?
Кстати, НЯП, в термоэмиссионных есть немалая куча факторов, определяющих КПД (то есть урезающих реально достижимый по ср. с термодинамическим пределом), причём часть "включается" именно в рабочем режиме, т.е. при протекании тока.
   3.0.153.0.15

au

   
★★
Fakir> А с точки зрения массового энергетического применения вопросов куча; ну начать с того, что там нужен вакуум.

А что такого трудного с вакуумом? Лампочка наоборот.
   1.5.01.5.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Да само по себе ничего, конечно. Хотя, ЕМНИС, вакуум там всё же нужен получше электролампового. Ну, это если плотности маленькие.
А если что-то с высокой удельной мощностью - то проблемы уже иные.

Всё это совершенно несмертельно, конечно, но и не подарок с технологической точки.

Особенно интересно бы узнать - что из себя может представлять прозрачный электрод; ну или как и насколько эффективно можно выбивать электроны "по ходу фотонов".

Я когда-то слегка думал о чём-то в подобном духе для космического применения (м.б. как для повышения КПД термоэмиссионных реакторов), покопался по литературе, поглядел на конструкции и параметры - в общем, как-то взгрустнулось :) До прозрачного электрода не додумался :) (хотя в случае реакторов это всё равно мало что изменило бы)
   3.0.153.0.15
EE Татарин #07.08.2010 20:42  @Sandro#06.08.2010 03:09
+
+1
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
AXT> Как я понял, там ситуация хитрей. Они используют тот факт, что в полупроводнике для электрона проводимости есть минимальная температура,
Эээ... температура - одна для всех, для электронов проводимости, валентных, внутренних оболочек и ядер.
Энергия - да, зависит от энергетического уровня электрона (тавтология, неизбежная правда :)).

AXT> равная ширине запрещённой зоны. А даже скромные 1.1эВ для кремния — это почти тринадцать тыщ кельвинов температуры.
Работа выхода для полупроводников часто - да - невелика, но для этого не требуется возбуждения светом.

AXT> И вот они додумались, как электрон с такой температурой дотащить до поверхности катода и дать ему улететь.
Они и так есть на поверхности (если имеются в виду обычные координаты). :) Если имеется в виду к-пространство, то для этого особых мер не требуется. Внешний фотоэффект в полупроводниках вполне заметен.
Почему именно полупроводники, а не металлы? Потому что в металлах все переходы разрешены. Мощный фотон породит плазмон, коллективное возбуждение, которое быстро термализуется и тупо своей энергией нагреет материал, а в полупроводнике структура переходов такова, что вся энергия достанется единственному электрону, который и вылетит с ней (с большой её частью) из материала.

AXT> Тепловая часть эффекта, как я понимаю, это у них просто способ рециклить энергию от нагрева ИК, рекомбинации фотоэлектронов и прочих потерь.
Да. В этом вся идея.

AXT> PS: Ребята вроде бы подали заявку на патент. Участвовавших в проекте студиозусов, как водится, "забыли": Photon enhanced thermionic emission - Patent application
Патентуют те, чья идея. Вполне возможно, что студиозусы на соавторство статьи вполне тянули, а как соавторы идеи - нет.
   5.0.375.1255.0.375.125

au

   
★★
Fakir> Всё это совершенно несмертельно, конечно, но и не подарок с технологической точки.

Дык цена вопроса велика. Если с того же концентратора (ключевое слово) можно снять на 50~100% больше и без экзотических материалов, то будет приказ "на стены!" и бабло под это.

Fakir> Особенно интересно бы узнать - что из себя может представлять прозрачный электрод; ну или как и насколько эффективно можно выбивать электроны "по ходу фотонов".

Не знаю годится тут или нет, но обычный прозрачный электрод — плёнка оксида индия, точнее смесь типа 90% In2O3 + 10% SnO2. Необычный, но ещё лучше — графен.

Fakir> Я когда-то слегка думал о чём-то в подобном духе для космического применения (м.б. как для повышения КПД термоэмиссионных реакторов), покопался по литературе, поглядел на конструкции и параметры - в общем, как-то взгрустнулось :) До прозрачного электрода не додумался :) (хотя в случае реакторов это всё равно мало что изменило бы)

А вот Татарин мысль мощную выкатил в близкой теме — правильное излучение по трубе уводить из зоны прямо к преобразователям, развязывая их с неправильным излучением. Труба простая, посеребрённая и отполированная внутри алюминиевая или из чего там угодно.
   1.5.01.5.0
EE Татарин #07.08.2010 20:58  @au#07.08.2010 20:42
+
+1
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
au> Не знаю годится тут или нет, но обычный прозрачный электрод — плёнка оксида индия, точнее смесь типа 90% In2O3 + 10% SnO2. Необычный, но ещё лучше — графен.
Да, в обычных СБ так и делают.
Но это не честные проводники-металлы (не графен, конечно, а оксиды олова/индия). Это такие очень узкозонные полупроводники; соответственно, у них проблемы с количеством носителей, сопротивлением и технически реальной плотностью тока. В мощных СБ для концентраторов это представляет определённую проблему, а здесь напряжения по порядку те же - несколько вольт. Но ячейки неудобно делать мелкими и включать последовательно.

Просто для оценки: 1000х концентрация при 50% КПД - это 50Вт/см2 при напряжении 4В - это 12.5А на 1см2 по поверхности тонкой плёнки. Весьма серьёзный ток даже для медного проводника с хорошей толщиной. А ограничения на концентрацию - это увеличение площади и количества дорогих вакуумных приборов. Так что тут может быть как всегда: какой-нить мелкий технологический нюанс похоронит физически красивую задумку.

au> А вот Татарин мысль мощную выкатил в близкой теме — правильное излучение по трубе уводить из зоны прямо к преобразователям, развязывая их с неправильным излучением. Труба простая, посеребрённая и отполированная внутри алюминиевая или из чего там угодно.
Пустотные световоды - это не моя идея, а Ваша... да и вообще со световодами, уверен, что я не первый.
   5.0.375.1255.0.375.125
AU#07.08.2010 21:16  @Татарин#07.08.2010 20:58
+
-
edit
 

au

   
★★
Татарин> А ограничения на концентрацию - это увеличение площади и количества дорогих вакуумных приборов.

В данном случае цена ЭВП роли практически не играет, т.к. (на глаз и по памяти) квадратный метр обычной панели стоит около тыщи баксов, что выше цены почти любого ЭВП, то есть фактор цены даже для дорогого ЭВП решающей роли не играет. И главное — это ЭВП, который делает деньги, допустим на протяжении десятка лет (до 50к световых часов). На электроэнергии он себя оплатит за малое время и в случае дорогого ЭВП.

Татарин> Пустотные световоды - это не моя идея, а Ваша... да и вообще со световодами, уверен, что я не первый.

Ваша (мощная) была в разделении и выводе излучения. А то что его по трубе (это скорее "неправильный волновод") пустить можно — это идейка, а не идея. Просто решение частной проблемы. При разделении на правильное и неправильное излучения, сразу расширяется выбор преобразователей, а это супер...
   1.5.01.5.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
au> А вот Татарин мысль мощную выкатил в близкой теме — правильное излучение по трубе уводить из зоны прямо к преобразователям, развязывая их с неправильным излучением. Труба простая, посеребрённая и отполированная внутри алюминиевая или из чего там угодно.

Применительно к реакторной термоэмиссии фиг там чего разделишь, правильное-неправильное... В наиболее общепринятой схеме термоэмиссионные цилиндры вообще сидят в самое гуще событий, это по сути ТВЭЛы и есть. Так что им и нейтронов и гаммы достаётся по полной. В другом варианте тепло подводится к преобразователям теплоносителем или тепловыми трубами, но он считается менее удачным.
Но всё равно, НЯП, в литературе не встречается упоминаний, что собственно реакторные излучения как-то влияют на работу преобразователя (я имею в виду эмиссию, а не деградацию материалов). Так что я думал в сторону такой порнографии, как ввод концентрированного солнечного излучения в преобразователи, для повышения КПД :) Что в силу геометрии становится порнографией в кубе :)
   3.0.153.0.15

au

   
★★
au>> А вот Татарин мысль мощную выкатил в близкой теме — правильное излучение по трубе уводить из зоны прямо к преобразователям, развязывая их с неправильным излучением. Труба простая, посеребрённая и отполированная внутри алюминиевая или из чего там угодно.
Fakir> Применительно к реакторной термоэмиссии фиг там чего разделишь, правильное-неправильное... В наиболее общепринятой схеме термоэмиссионные цилиндры вообще сидят в самое гуще событий, это по сути ТВЭЛы и есть. Так что им и нейтронов и гаммы достаётся по полной.

Тогда ТВЭЛ можно поставить в фокусе закрытого отражателя, и отбирать только отражённое излучение в трубу. Всё злое пролетит насквозь, а в трубе будет только оптика и длиннее. Отражатель конечно нетривиальный, так сразу и не представлю... Но, допустим для начала, это длинный параболоид, у которого в фокусе ТВЭЛ (коллиматор эдакий), а воронка закрыта двухзеркальной антенной (как в телескопе). В результате весь оптический+ИК поток будет собран в трубу антенны — то что надо. Всё громоздко, но ты же хотел это в космосе :) Внешне весьма эстетичная конструкция получилась бы :) Не "НПЗ в космосе", а почти как у протоссов :)
   1.5.01.5.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Так ТВЭЛов-то пачка. По одному нихрена работать не будет.
Собственно реакторные излучения хрен поотражаешь, а оптики там мягко говоря мало :)

Со стороны свет засовывать - тоже крайне проблематично. Зазор самих эмиссионных преобразователей - миллиметр, длины метровые, диаметр твэлогенератора десятки сантиметров. Как туда света засобачить, да еще когда такие стержни плотно упакованы (по тепловым и нейтроннофизическим требования) - даже с прозрачными электродами задачка нетривиальная.

Так что разве что и впрямь преобразователь отдельно, греется теплоносителем издалека. И то... :) Та еще порнография :)
Да и выдержат ли прозрачные электроды такое издевательство? :)
   3.0.153.0.15

au

   
★★
Fakir> Так ТВЭЛов-то пачка. По одному нихрена работать не будет.
Fakir> Собственно реакторные излучения хрен поотражаешь, а оптики там мягко говоря мало :)

Дык на том идея и основана. Твэлы, хоть пачкой, находятся в фокусе. Раз уж они ТВэлы, они горячие, а значит светят в ИК и оптике (от температуры зависит, вот у меня электроплита очень даже видна глазами :) ) — всё это отражатель отразит, а ядрёное пролетит его насквозь или застрянет в нём. Отражатель большой относительно пачки твэлов, так что они более-менее в фокусе. Полная коллимация не нужна ведь, сойдёт. А вот крышкой для воронки будет двухзеркальная антенна, и лучше со смещённым фокусом (если получится), чтобы реактора в прямой видимости не было. Тогда в трубу соберётся только ИК+видимое, что и требуется.

Fakir> Да и выдержат ли прозрачные электроды такое издевательство? :)

Вообще-то я про космос и реактор, раз уж ты их помянул :) А касательно этого патента и новости — это всё к вышеописанному не относится. Насколько я понимаю, чем бы ни был этот преобразователь, он внешне является вакуумной капсулой с прозрачным окном. А прозрачный электрод и всё прочее — это уже внутри. Окно капсулы не обязательно должно быть изнутри электродом, лучше развязать конструктивно. Ну, в общем не видно тупика..
   1.5.01.5.0

RU AXT #08.08.2010 02:00  @Татарин#07.08.2010 20:42
+
+1
-
edit
 

AXT

инженер вольнодумец
★☆

Блин, опять из своих мыслей написал только ключевые слова. Со мной это бывает :(
Разворачиваю, по мере возможности.

AXT>> Как я понял, там ситуация хитрей. Они используют тот факт, что в полупроводнике для электрона проводимости есть минимальная температура,
Татарин> Эээ... температура - одна для всех, для электронов проводимости, валентных, внутренних оболочек и ядер.
Татарин> Энергия - да, зависит от энергетического уровня электрона (тавтология, неизбежная правда :)).

Вообще-то электроны в полупроводниках с энергией много выше дна зоны проводимости — у нас вполне себе называют "горячими". :) Даже в литературе.

AXT>> равная ширине запрещённой зоны. А даже скромные 1.1эВ для кремния — это почти тринадцать тыщ кельвинов температуры.
Татарин> Работа выхода для полупроводников часто - да - невелика, но для этого не требуется возбуждения светом.

Эээ, работа выхода? ... Для кремния — 4.8 эВ работа выхода. У всех остальных тоже немало. То есть, можно вспомнить окись бария с её 2.3 эВ ... но она при нормальных условиях — диэлектрик. И в любом случае, это тоже много.
И ещё: у полупроводов есть пороговая энергия фотона, необходимая для внешнего фотоэффекта. И эта энергия ещё больше, чем работа выхода. Для кремния — 5.10 эВ, для арсенида галлия — 5.5 эВ. Это уже ультрафиолет, хорошо ослабляющися атмосферой. То есть, внешний фотоэффект при облучении солнечным светом — малополезен в полупроводниках. Ибо практически отсутствует.

Отсюда понятен их интерес к термоэмиссии — там же вылетают "горячие" электроны, с хвоста распределения Ферми-Дирака. Т.е. Если у нас есть электронный газ с температурой 1.1 эВ, то при энергии выхода 4.8 эВ поток термоэмиссии будет будь здоров, благо при таких энергиях распределение сильно сглаживается.

Но: электронный газ есть только в металлах. В полупроводах — шиш, при их-то плотностях свободных электронов. Почти все лежат на дне зоны проводимости. Флуктуации энергий электронов — мизерные, хрен с два они на 3.7 Эв подскочат. И вот этого я в их работе не понимаю.

То есть пара смутных мыслей имеется. Но ничего такого, чтоб я мог сформулировать письменно.

AXT>> И вот они додумались, как электрон с такой температурой дотащить до поверхности катода и дать ему улететь.
Татарин> Они и так есть на поверхности (если имеются в виду обычные координаты). :)

Да, обычные координаты. Нет, не на поверхности. Для кремния, ЕМНИМС толщина слоя 50% поглощения света что-то вроде микрона. Для нитрида галлия, который они используют, без справочника не скажу, но порядок величины должен быть тот же.
С такой глубины электрон никак не может сразу выскочить наружу, он же не баллистический! :) Скорее всего, он будет просто хаотически там блуждать, пока не найдёт себе дырку. До поверхности доберётся мизерный процент.

Татарин> Внешний фотоэффект в полупроводниках вполне заметен.

Начиная с ультрафиолета, вот в чём дело. А внутренний — отлично работает прямо в оптике. И эти ребята обещают 30% КПД только за счёт фотоэффекта. Такого пока ещё никто не добился, насколько мне известно.

Татарин> Почему именно полупроводники, а не металлы? Потому что в металлах все переходы разрешены. Мощный фотон породит плазмон, коллективное возбуждение, которое быстро термализуется и тупо своей энергией нагреет материал, а в полупроводнике структура переходов такова, что вся энергия достанется единственному электрону,

Это всё так, практически (1). Собственно, это я имел в виду, когда писал про "температуру электронов в полупроводнике".

Татарин> который и вылетит с ней (с большой её частью) из материала.

Но как бы дать ему вылететь? Если его энергия ниже работы выхода? В своём отчёте, кстати говоря, они упоминают "покрытие с уменьшенной работой выхода". Но зонная диаграмма там вообще не пойми от чего.

AXT>> Тепловая часть эффекта, как я понимаю, это у них просто способ рециклить энергию от нагрева ИК, рекомбинации фотоэлектронов и прочих потерь.
Татарин> Да. В этом вся идея.

Это они так пишут. А мне интересно, как они вообще сделали термоэмиссионный источник на полупроводнике, да ещё с таким КПД. Это что-то очень новое. По сравнению с ним рециклинг побочного нагрева — вообще очевидная фигня, говорить не о чем.

Термоэмиссионный ли он на самом деле? Вообще?

PS: Прошу простить за некоторую несвязность — это на самом деле поток сознания в попытках понять, что же они там намутили :D

(1) В полупроводниках есть аналогичный эффект — если прилетает квант с очень большой энергией, то выбивается баллистический электрон, тот налетает на встречные атомы, выбивает ещё один, и так далее, пока не получится куча свободных электронов с энергий в валентной зоне. Есть рентгеновские фотоприёмники на этом эффекте.
   3.6.83.6.8

AXT

инженер вольнодумец
★☆

AXT>> .. с прозрачным анодом.
Fakir> Вот когда он прозрачный - это понятно; но теневой анод... я как-то не очень понимаю, как они обеспечат вылет...

На самом деле, если слой полупроводника у них тонкий, в пару микрон, то разницы нет вообще. Один чёрт фотоэлектроны рождаются в объёме полупроводника и для вылета в вакуум должны добраться до поверхности. Какая разница, по ходу света или против?

Fakir> А с точки зрения массового энергетического применения вопросов куча; ну начать с того, что там нужен вакуум.

С вакуумом как раз просто. Если не делать большой вакуумированный объём, а делать массив из пузырей по нескольку мм2 Объёма, то это любой нормальный материал выдержит, хоть оргстекло. Собственно, один большой вакуум-пузырь (с которым будут проблемы) тут не нужен вообще.

Fakir> ... классической проблемой термоэмиссионных преобразователей - пространственным зарядом; тоже пары цезия пихать станут?

Хз, я в вопросах конструирования термоэмиссионников не копенгаген. Никогда не интересовался даже. Но в одной из нагуглившихся статеек цезий упоминался.

PS: Прошу перекинуть мой "зависший" в исходной теме пост.
   3.6.83.6.8
Это сообщение редактировалось 08.08.2010 в 05:46

EE Татарин #08.08.2010 04:32  @Sandro#08.08.2010 02:00
+
+2
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
AXT> И ещё: у полупроводов есть пороговая энергия фотона, необходимая для внешнего фотоэффекта.
Не понял... а у кого её - пороговой - нет?
И ясное дело, что эта энергия будет выше чистой работы выхода: неизбежная термализация электрона по пути наружу, компенсация перераспределения поверхностных зарядов и т.п.

AXT> Отсюда понятен их интерес к термоэмиссии — там же вылетают "горячие" электроны, с хвоста распределения Ферми-Дирака. Т.е. Если у нас есть электронный газ с температурой 1.1 эВ, то при энергии выхода 4.8 эВ поток термоэмиссии будет будь здоров, благо при таких энергиях распределение сильно сглаживается.
AXT> Но: электронный газ есть только в металлах. В полупроводах — шиш, при их-то плотностях свободных электронов. Почти все лежат на дне зоны проводимости. Флуктуации энергий электронов — мизерные, хрен с два они на 3.7 Эв подскочат. И вот этого я в их работе не понимаю.
Может быть, я тоже не понимаю, но у меня есть полная иллюзия понимания. :)

Логика очень проста: распределение Ферми при этих температурах даёт лишь ничтожный хвостик над уровнем выхода. Но если мы будем перекидывать электроны светом достаточно интенсивно и этот процесс будет идти со скоростью, сравнимой с рекомбинацией, мы получим неравновесное, не-Ферми распределение: как будто "поднимем" распределение на высоту принятых фотонов.

Там есть картинка, которая всё объясняет наглядно:


Кстати, что-то мне думается, что эффективность работы этой фиговины должна серьёзно зависеть от плотности света. Сильнее, чем у СБ, гораздо сильнее.

AXT> Да, обычные координаты. Нет, не на поверхности. Для кремния, ЕМНИМС толщина слоя 50% поглощения света что-то вроде микрона. Для нитрида галлия, который они используют, без справочника не скажу, но порядок величины должен быть тот же.
Кремний - непрямозонный ПП. Нет прямых переходов "зона-зона", вероятности переходов страшно задавлены - на нём даже светодиода толком сделать нельзя. Коэффициенты Эйнштейна - они в обе стороны работают.

Арсенид галлия - прямозонный.

Насчёт микронной толщины для поглощения солнечного света кремнием - сильно сомневаюсь, до 3эВ он (без принятия особых мер) поглощает довольно плохо, НЯП, там по порядку должны быть десятки мкм. Сотни нм - это скорее для арсенида галлия.

AXT> С такой глубины электрон никак не может сразу выскочить наружу, он же не баллистический! :) Скорее всего, он будет просто хаотически там блуждать, пока не найдёт себе дырку. До поверхности доберётся мизерный процент.
Почему же? Если у него несколько эВ над дном зоны, то у него будет дофигища времени... Дырка, кстати, тоже должна ещё термализоваться.

AXT> Это они так пишут. А мне интересно, как они вообще сделали термоэмиссионный источник на полупроводнике, да ещё с таким КПД. Это что-то очень новое. По сравнению с ним рециклинг побочного нагрева — вообще очевидная фигня, говорить не о чем.
Так это же один фиг.

AXT> Термоэмиссионный ли он на самом деле? Вообще?
Он - фототермоэмиссионный. :)

AXT> (1) В полупроводниках есть аналогичный эффект — если прилетает квант с очень большой энергией, то выбивается баллистический электрон, тот налетает на встречные атомы, выбивает ещё один, и так далее, пока не получится куча свободных электронов с энергий в валентной зоне. Есть рентгеновские фотоприёмники на этом эффекте.
Да, я в курсе. :)
   5.0.375.1255.0.375.125
RU AXT #10.08.2010 02:34  @Татарин#08.08.2010 04:32
+
-
edit
 

AXT

инженер вольнодумец
★☆

Татарин> Не понял... а у кого её - пороговой - нет?

Пороговая, конечно, есть у всех :)

Татарин> И ясное дело, что эта энергия будет выше чистой работы выхода: неизбежная термализация электрона по пути наружу, компенсация перераспределения поверхностных зарядов и т.п.

Э, нет. В металлах пороговая, насколько я помню, строго равна работе выхода. А в полупроводниках набегают дополнительные затраты. Хотя к обсуждаемой теме это особого отношения не имеет, это я так, для примера. Что с прямым фотоэффектом в полупроводниках дела обстоят хуже, чем в металлах.

Татарин> Логика очень проста: распределение Ферми при этих температурах даёт лишь ничтожный хвостик над уровнем выхода. Но если мы будем перекидывать электроны светом достаточно интенсивно и этот процесс будет идти со скоростью, сравнимой с рекомбинацией, мы получим неравновесное, не-Ферми распределение: как будто "поднимем" распределение на высоту принятых фотонов.

Эта мысль ясна. Но тут есть две вещи, которые меня смущают.

Первое: конечно, такой механизм возможен. Более того, насколько я помню, сечение столкновения с фотоном обычно растёт для более высоких орбиталей, так что при достаточной плотности электронов проводимости в полупроводнике они будут эффективно "отбирать" столкновения от электронов валентной зоны. Распределение будет становиться неравновесным, да.
Но: для этого нужна большая плотность свободных электронов. Около 1E-2 вроде бы. А этот механизм будет их греть. Без кавычек, потому что электронам высоко над запрещённой зоной отдать свою энергию в нагрев решётки — проще простого. Субнаносекундно.

И вот выходит такое дело: при этой плотности свободных электронов будут не только электроны термализоваться с кристаллической решёткой, но и решётка будет термализоваться с электронами. С этими самыми единицами электронвольт. Этого ни одно вещество не выдержит.

То есть, либо у нас мало свободных электронов, и этот механизм не работает, либо их много, и этот механизм работает ... но только термофотокатод плавится и кипит.

Либо энергия его нагрева куда-то очень хорошо отводится, и это единственный возможный вариант. В этой схеме термофотокатод не может находиться в тепловом равновесии со своими собственными электронами!!!

Второе, более грубое: А на хрена? Ну есть у нас в 10нм от поверхности полупроводника электрон с энергией 6 эВ. А толку? Он всё равно связан, находится в зоне проводимости, и может только скакать от атома к атому. Чтобы излучиться в вакуум, ему надо сначала проползти до поверхности полупроводника (примерно 80 атомных слоёв в данном случае), и вот только тогда он сможет выпрыгнуть наружу. Если не остынет по дороге, что наиболее вероятно. С таким количеством атомов быть связанным механически - это не шутка. Пусть даже и по очереди. Энергия хочет уравняться в КАЖДОМ из взаимодействий.

То есть, имеет смысл греть электроны только в самом тонком приповерхностном слое. Тогда и нагрев решётки будет не страшен (избыточное тепло будет легко уходить в основной объём вещества, практически со скоростью звука), и шанс вылететь у нагретых электронов будет очень хороший.

Но как?

Татарин> Там есть картинка, которая всё объясняет наглядно:

Да видел я её. И вот для меня — с наглядностью проблемы. То есть, я там вижу энергетические уровни нейтрального полупроводника, соединённого с вакуумным диодом. И пресловутый хвост распределения Ф-Д. Но вот как это всё должно вместе сосуществовать в физической конструкции с КПД 30% — не вижу.

Татарин> Кстати, что-то мне думается, что эффективность работы этой фиговины должна серьёзно зависеть от плотности света. Сильнее, чем у СБ, гораздо сильнее.

Ну, если описание работы хоть сколько-то соответствует реальности, то на начальном участке должна быть экспонента. Речь же идёт о пропихивании электронного газа через потенциальный барьер. Внешним усилием. А это — в 99% случаев экспонента :)

Татарин> Кремний - непрямозонный ПП.

Упс ... а вот про это-то я и забыл. Да, поглощение от этого уменьшается. А у них прямозонный.

Татарин> Насчёт микронной толщины для поглощения солнечного света кремнием - сильно сомневаюсь, до 3эВ он (без принятия особых мер) поглощает довольно плохо, НЯП, там по порядку должны быть десятки мкм. Сотни нм - это скорее для арсенида галлия.

Тем не менее, мне помнятся именно такие величины. Попробую на этой неделе добраться до знакомых, занимающихся фотоприёмниками. В моих книжках этих параметров нет :(


AXT>> До поверхности доберётся мизерный процент.
Татарин> Почему же? Если у него несколько эВ над дном зоны, то у него будет дофигища времени...

Сейчас по-быстрому пролистал букварь — пишут, что среднее время термализации для электрона с 1эВ над основным проводящим уровнем — это примерно 50пс. А пробег за это время составит порядка единиц микрон вдоль траектории. То есть,в отсутствие внешнего поля это будут десятки — первые сотни нм геометрически. Он же хаотически шатается.

В обсуждаемом варианте электроны должны быть погорячей, больше время термализации, но и беречь такую энергию надо сильнее. То есть, я бы сказал, что толщина этого поверхностного накопителя — должна быть десятки нанометров. Чтоб все горячие электроны имели хороший шанс оказаться на поверхности. Иначе плакал КПД в 30%.

AXT>> Термоэмиссионный ли он на самом деле? Вообще?
Татарин> Он - фототермоэмиссионный. :)

Шутку понял. Смешно :)
   3.6.83.6.8
EE Татарин #11.08.2010 14:54  @Sandro#10.08.2010 02:34
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
AXT> Э, нет. В металлах пороговая, насколько я помню, строго равна работе выхода.
Нет. Просто в металлах дополнительные компоненты достаточно (для большинства применений) малы.

AXT> Первое: конечно, такой механизм возможен. Более того, насколько я помню, сечение столкновения с фотоном обычно растёт для более высоких орбиталей, так что при достаточной плотности электронов проводимости в полупроводнике они будут эффективно "отбирать" столкновения от электронов валентной зоны. Распределение будет становиться неравновесным, да.
Их должно быть много меньше, чем валентных. Концентрация электронов зоны проводимости в легированом арсениде галлия по порядку - 1Е15-1Е17/см3. Плотность валентных электронов на 6-8 порядков выше.
То есть, свет поглощается в основном валентными электронами: больше-то и нечем особо.
Дальше - нужно смотреть конкретные вероятности по выходу и рекомбинации.

AXT> И вот выходит такое дело: при этой плотности свободных электронов
ИМХО, не будет "такой" плотности - не с чего. В общем-то количество свободных электронов как в металлах - вредит основам работы системы. Попробуй накачать энергией света металл - он же отразит всё, и что толку?

AXT> Второе, более грубое: А на хрена? Ну есть у нас в 10нм от поверхности полупроводника электрон с энергией 6 эВ. А толку? Он всё равно связан, находится в зоне проводимости, и может только скакать от атома к атому.
Ну, это всё-таки не тепловой нейтрон, чтобы прям вот так "диффудировать" от атома к атому. :) В чистом кристалле арсенида галлия при таких температурах основным будет электрон-фононное рассеяние. Значит, траектория электрона в к-пространстве будет довольно плавное, квазиимпульсы не изменяются при рассеянии уж очень резко: ровно на величину квазиимлульса фонона (при таких температурах hw ~= 1-10мэВ).
Можно пойти с другой стороны: удельное сопротивление для арсенида галлия нам известно, а ro ~= m/(ne2 * tau).
100-1000 атомных слоёв при типичных временах релаксации tau ~= 1Е-14c - это фигня.

AXT> Чтобы излучиться в вакуум, ему надо сначала проползти до поверхности полупроводника (примерно 80 атомных слоёв в данном случае), и вот только тогда он сможет выпрыгнуть наружу.
Да, и это - кажется - не очень много.

AXT> Если не остынет по дороге, что наиболее вероятно. С таким количеством атомов быть связанным механически - это не шутка. Пусть даже и по очереди. Энергия хочет уравняться в КАЖДОМ из взаимодействий.
Она бы и уравнивалась в каждом взаимодествии, если бы у электрона была бы возможность свободно перемещаться по энергии. Нет у него такой возможности: более-менее свободно (более-менее, потому что не все изменения квазиимпульса разрешены даже в пределах зоны) может перемещаться по зоне.

Повторюсь: мне сложно представить, сколько это будет точно в цифрах, но то что идея сама по себе работоспособна и физична - нет, ИМХО, сомнений.

Татарин>> Кстати, что-то мне думается, что эффективность работы этой фиговины должна серьёзно зависеть от плотности света. Сильнее, чем у СБ, гораздо сильнее.
AXT> Ну, если описание работы хоть сколько-то соответствует реальности, то на начальном участке должна быть экспонента. Речь же идёт о пропихивании электронного газа через потенциальный барьер. Внешним усилием. А это — в 99% случаев экспонента :)
Экспонента - по энергии, а не плотности газа. :)

AXT> В обсуждаемом варианте электроны должны быть погорячей, больше время термализации, но и беречь такую энергию надо сильнее. То есть, я бы сказал, что толщина этого поверхностного накопителя — должна быть десятки нанометров. Чтоб все горячие электроны имели хороший шанс оказаться на поверхности. Иначе плакал КПД в 30%.
ИМХО - реально.
   5.0.375.995.0.375.99

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆

Горячая фотоячейка тянет электроны из коктейля света и жара

Для эффективного получения энергии от Солнца хорошо бы сплавить две технологии. О перспективах новации догадаться нетрудно. Но для этого каким-то чудом нужно совместить в одном материале противоречивые свойства. И что ещё труднее – заставить работать в одной упряжке разнородные физические процессы. Решение этой головоломки было найдено на днях.

// www.membrana.ru
 



http://www.membrana.ru/images/articles/1280835393-3.jpeg [not image]
В зависимости от температуры в новом материале могут доминировать фотоэмиссия электронов, эмиссия типа PETE или термоэмиссия. Это в теории. Однако на практике зона с крайне высокими температурами недостижима, а вот умеренно горячая "полоса" (несколько сот градусов) – идеальна для нового прибора (иллюстрация Jared W. Schwede et al./Nature Materials).
 
   3.0.153.0.15

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru