К вопросу исследования антенных преобразователей солнечной энергии в электрическую Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН __________________________________2009, том 52, №4_______________________________

ФИЗИКА

УДК 539.21:537.31

Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, Мутабар Шах К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ АНТЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Известно, что в настоящее время эффективность большинства солнечных элементов лежит в интервале 12-27% [1]. Низкая эффективность солнечных элементов в основном связывается с потерей фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводника [1]. Вследствие этого последние годы ведутся исследования по разработке антенных преобразователей солнечной энергии в электрическую, так называемых выпрямляющих антенн - ректенн [2-4], на которые не распространяются ограничения в эффективности, связанные с квантовой природой полупроводниковых солнечных элементов.

Предварительные расчеты и эксперименты, проведенные по преобразованию энергии в микроволновом диапазоне при постоянном напряжении, показывают, что эффективность в пределах 85-87% может быть в принципе достигнута [4]. Главная трудность в реализации ректенны - это небольшие ее размеры, соизмеримые с длинной волны света. Кроме того, необходимо учесть, что ректенна должна принимать падающие электромагнитные волны любой поляризации и покрывать достаточно широкий спектр длин волн. Известно, что в солнечном спектре на ультрафиолетовое (X < 0.4 мкм), видимое (0.4 мкм <Х < 0.7 мкм) и инфракрасное излучение (0.7 мкм <Х < 2.5 мкм) приходится соответственно 9 % , 45 % и 46 % интенсивности солнечной радиации [5] .

Для выпрямления наведенной в антенне э.д.с. предусматривается использование небольших по размерам диодов, выполненных на полупроводниковых p-n переходах [2-4], соединенных с антенной и установленных под ее вибраторами. В данной работе приведены сведения по изготовлению и исследованию вольт-амперной характеристики простого органического полупроводникового диода, встроенного в дипольную антенну, а также предложена конструкция ректенны на основе спиральной антенны.

Образец дипольной антенны с органическим полупроводниковым диодом изготовлялся следующим образом: на стеклянную подложку вакуумным испарением при давлении 10-4 Ра на установке Edwards AUTO 306 осаждались полоски пленок золота и серебра толщиной 100 нм. Зазор между полосками составлял 40 мкм. В пространство между металлическими полосками осаждался органический полупроводник фталоцианин никеля (ФН). Толщина пленки ФН была равна 100 нм, скорость осаждения пленки составляла 10 нм/мин. В [6] приведена молекулярная структура ФН. На рис.1 приведена схематическая конструкция образца, который представляет собой дипольную антенну, между вибраторами (пленкой золота и се-

ребра) которой осаждена пленка ФН. Длина каждого из вибраторов антенны была равна 6 мм.

Рис. 1. Схематическая конструкция образца Аи/ФН /Ag:

1 - стеклянная подложка, 2 - пленка золота, 3 - пленка серебра, 4 - пленка фталоцианина никеля,

5 - зазор между пленками золота и серебра, 6 - выводы.

Вибраторы антенны вместе с органическим полупроводником представляют с собой элемент Аи/ФН М^, обладающий выпрямляющим свойством (рис.2). Коэффициент выпрямления, как отношение прямого тока к обратному, при напряжении равном 1 В, 5 В и 10 В был равен соответственно 2.5, 3 и 6. При прямом токе перехода положительный потенциал напряжения прикладывался к золотому электроду. Так как ФН является полупроводником р-типа, а работы выхода электрона из золота и серебра соответственно равны 5.1 и 4.3 эВ, можно полагать, что эффект выпрямления в элементе Аи/ФН имеет место ввиду формирования перехода Шоттки (металл-полупроводник) между Ag и ФМ. Аналогичная вольт-амперная характеристика была нами получена при исследовании элемента А1/ФН М^, в котором вместо золота использовался алюминий.

5

3

6

15

-0,5 -Напряжение , В

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика образца Au/ФН/Ag.

Выбор антенны для преобразования солнечной энергии в электрическую следует проводить с учетом того, что отношение средних длин волн инфракрасного излучения солнца (1.6 мкм) к видимому (0.55 мкм) равен 2.9, то есть антенна должна охватывать соответствующую полосу длин волн, любой поляризации. Анализ антенн, используемых в технике связи [2], показывает, что в качестве прототипа может быть выбрана спиральная антенна, в отличие от дипольной антенны, описанной в [2,3]. Кроме того, имея ввиду, что антенная решетка будет состоять из огромного количества ячеек, которые в идеале должны плотно покрывать принимающую солнечное излучение поверхность, можно каждую спиральную антенну условно вписать в шестиугольник. На рис.3 представлена схематическая конструкция данной спиральной ректенны, то есть антенны с встроенным полупроводниковым диодом, в антенной решетке типа «пчелинная сота». На рис.3 диаметр полупроводникового диода (ё) совпадает с расстоянием между выводами антенны. Величина ё определяет коротковолновую область диапазона, а внешний диаметр (Ц) ректенны - длинноволновую. Если принять d=X/10 , а D=X/2 [2], то в данном случае ё = 55 нм, а Ц = 0.8 мкм.

Рис. 3. Схематическая конструкция спиральной ректенны в антенной решетке типа «пчелиная сота».

Идея создания антенны для преобразования солнечной энергии в электрическую была впервые выдвинута профессором Робертом Бейли (Robert Bailey) в 1972 г. [7]. Ее реализация, несомненно, приведет к широкому использованию солнечной энергии. В настоящее время

успешное развитие нано-технологий [8] позволяет надеяться, что ректенна с достаточно высокой эффективностью для преобразования солнечной энергии в электрическую будет изготовлена и исследована на практике.

Таким образом, изготовлен встроенный в дипольную антенну полупроводниковый диод на основе органического полупроводника фталоцианина никеля и исследована его вольт-амперная характеристика. Описана конструкция ректенны на основе спиральной антенны для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию постоянного тока.

Центр по исследованию и использованию Поступило 03.02.2009 г.

возобновляемых источников энергии

при Физико-техническом институте им.С.У.Умарова,

H«

Институт прикладных наук и технологии им.Гулам Исхак Хан, Пакистан.

1. Markvart T. Solar Electricity - Chichester, England: John Wiley & Sons Ltd, 2CCC, 22S p.

2. Kraus J.D. Antennas - Second Edition, New York, USA, McGraw-Hill Book Company, 1994, S92 p.

3. Corkish R., Green M.A., Puzzer T. - Solar Energy, 2002, v.73, №.6, pp.395-401.

4. Goswami D.Y., Vijayaraghavan S., Lu S., Tamm G. - Solar Energy, 2004, v.76, №.1-3, pp.33-43.

5. Twidell J., Weir T. Renewable Energy Resources. London, UK, E & FN Spon, 1996, 439 p.

6. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М. и др. - Материалы международной конф., посвящ. 110-летию акад. С.У.Умарова «Современные проблемы физики». - Душанбе: Дониш, 2008, с. 251-257.

7. Bailey R.L. - J. Eng. Power, 1972, v. 94, pp.73-77.

S. Yianoulis P. and Giannouli M. - Journal of Nano Research, 2CCS, v.2, pp.49-60.

Х.С.Каримов, Х*М.Ахмедов, Мутабар Шах ДОЙР БА МАСЪАЛАИ ТАХЦИЦИ ТАБДИЛДИХАКХОИ AНТЕННИИ ЭНЕРГИЯИ ОФТОБИ БА ЭНЕРГИЯИ ЭЛЕКТРИКИ

Дар кор мyшаххасаи волт-амперии диод дар асоси нимнодили органикй (фтало-сианини никел) тахдид шyдааст. Ин диод ба антенаи диполй насб карда шyдааст. Им-конияти сохтани табдилдихакхои антеннии энергияи офтоб ба энергияи электрикй (рек-тенн) мyхокима гардида, конструксияи ректенн дар асоси антеннаи спиралшакл тасниф шyдааст.

2S1

Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, Mutabar Shah ON INVESTIGATION OF THE ANTENNA CONVERTERS OF SOLAR ENERGY INTO ELECTRIC POWER

In this work the current-voltage characteristics of the diode on the base of organic semiconductor nickel phthalocyanine were investigated. The diode was built-in the dipole antenna. Potentialities of fabrication of solar energy converters into electric power and the design of the rectenna on the base of spiral antennas were discussed.