Исследования термовольтаического эффекта в полупроводниках в среднетемпературном интервале

Введение. Преобразование тепловой энергии в электрическую является актуальной задачей. Обнаруженный в сульфиде самария (SmS) термовольтаический эффект (ТВЭ) позволяет решать ее с большим КПД по сравнению с классическими термоэлектрическими генераторами, работающими на основе классического эффекта Зеебека. ТВЭ в SmS проявляется в спонтанном появлении импульсов электрического напряжения 0.05 В в непрерывном режиме при температуре образца 470 К. Генерация ЭДС связывается с наличием градиента концентрации дефектных ионов Sm, находящихся в вакансиях подрешетки серы, и с переменной валентностью ионов самария (Sm²⁺® Sm³⁺+e^-). При нагреве образца до определенной температуры концентрация носителей заряда скачкообразно увеличивается. Поскольку в образце дефектные ионы самария расположены неупорядоченно, происходит перенос заряда из области образца с большей концентрацией дефектных ионов в зону с меньшей концентрацией. Таким образом, создается ЭДС в направлении градиента концентрации этих ионов. Обнаруженный впоследствии в ZnO, Ge, Si и некоторых сложных полупроводниках ТВЭ достигал лишь 0.01 В.

Цель работы. Решается проблема повышения генерируемого напряжения и рабочей температуры генерации при ТВЭ.

Методы и материалы. Методом синтеза из простых веществ получены исходные материалы, из которых созданы гетероструктуры типа сэндвич SmS/Sm_1-хLn_хS, где Ln = Eu, Yb. Кроме того, исследованы образцы на основе классического термоэлектрика PbTe с различной степенью легирования слоев, полученных спрессовыванием при высокой температуре в вакууме. На уникальной установке, исключающей градиенты температуры в образцах, проведены исследования ТВЭ.

Результаты. Показано, что повышение значений ЭДС и рабочей температуры достигается за счет заглубления донорных уровней путем легирования. В легированных образцах на основе SmS наблюдается генерация ЭДС до 0.15 В в непрерывном режиме при T = 700 K. Обнаруженный в гетероструктуре на основе термоэлектрического полупроводника n-типа PbTe ТВЭ позволяет получить значение генерируемого напряжения около 0.06 В в среднетемпературном режиме.

Заключение. Достигнутые результаты превосходят известные ранее и дают основание продолжать исследования с целью разработки полупроводниковых преобразователей, работающих на основе ТВЭ.

1. Каминский В. В., Соловьев С. М. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS // Физика твердого тела. 2001. Т. 43. Вып. 3. С. 423-426. URL: http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftt/2001/03/p423-426.pdf (дата обращения 15.12.2019)

2. Грошев И., Полухин И. Сульфид самария и новейшие разработки на его основе // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 150-157. URL: https://www.kit-e.ru/articles/device/2014_8_150.php (дата обращения 19.12.2019)

3. Особенности получения тонких пленок для термопреобразователей на основе SmS / В. И. Стре-лов, Е. Б. Баскаков, Ю. Н. Бендрышев, В. М. Каневский // Кристаллография. 2019. Т. 64, № 2. С. 281-284. doi: 10.1134/S0023476119020292

4. Гетероструктура SmS/SiC и термовольтаичес-кий эффект в ней / В. В. Каминский, А. О. Лебедев, С. М. Соловьев, Н. В. Шаренкова // ЖТФ. 2019. Т. 89. Вып. 2. С. 212-213. doi: 10.21883/JTF.2019.02.47072.225-18

5. Калинин Ю. Е., Чуйко А. Г., Новиков Е. Г. Перспективы развития термоэлектрических и термо-вольтаических материалов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. № 3. С. 28-39. URL: https://www.isjaee.com/jour/article/view/12 (дата обращения 19.12.2019)

6. Development of a physical model of thermovoltaic effects in the thin films of zinc oxide doped with transition metals / I. Pronin, N. Yakushova, I. Averin, A. Karmanov, V. Moshnikov, D. Dimitrov // Coatings. 2018. Т. 8, № 12. С. 433(1-12). doi: 10.3390/coatings8120433

7. Термовольтаический эффект в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями с переменной валентностью / И. А. Пронин, И. А. Аверин, А. С. Божи-нова, А. Ц. Георгиева, Д. Ц. Димитров, А. А. Карманов, В. А. Мошников, К. И. Папазова, Е. И. Теруков, Н. Д. Яку-шова // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. Вып. 19. С. 22-28 URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42354 (дата обращения 15.12.2019)

8. Новый тип газовых сенсоров на основе термо-вольтаического эффекта в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями переменной валентности / И. А. Пронин, Н. Д. Якушова, Д. Ц. Димитров, Л. К. Крас-тева, К. И. Папазова, А. А. Карманов, И. А. Аверин, А. Ц. Георгиева, В. А. Мошников, Е. И. Теруков // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, № 18. С. 11 -16. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/45028 (дата обращения 15.12.2019)

9. Тепловольтаический эффект pSi-n(Si2)1-x(ZnS)x структур / Н. С. Саидов, А. С. Саидов, Ш. Н. Усмонов, К. А. Амо-нов // Гелиотехника. 2009. № 4. С. 102-104. URL: http://geliotekhnika.uz/ru/articles/572 (дата обращения 15.12.2019)

10. Саидов А. С., Лейдерман А. Ю., Каршиев А. Б. Термовольтаический эффект в варизонном твердом растворе Si1-xGex (0< х< 1) // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 14. С. 21-27. URL: http://journals.ioffe.ru/artides/viewPDF/43410 (дата обращения 15.12.2019).

11. Термовольтаические синергетические эффекты самоорганизации примесей и дефектов в полупроводниках типа АIIIВV / А. Ю. Лейдерман, У. Х. Рахмонов, А. С. Саидов, М. М. Хашаев // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 7. С. 55-69. doi: 10.15518/isjaee.2015.07.004

12. Каминский В. В., Голубков А. В., Васильев Л. Н. Дефектные ионы самария и эффект генерации электродвижущей силы в SmS // Физика твердого тела. 2002. Т. 44. Вып. 8. С. 1501-1505. URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/39644 (дата обращения 15.12.2019)

13. Hickey C. F., Gibson U. J. SmS phase transition in thin films prepared by reactive evaporation // Phase Transitions: A Multinational Journal. 1989. Vol. 14, iss. 1-4. P. 187-199. doi: 10.1080/01411598908208095

14. Chemistry and Technology of Samarium Monosulfide / O. V. Andreev, V. V. Ivanov, A. V. Gorshkov, P. V. Mio-dushevskiy, P. O. Andreev // Eurasian Chemico-Tech-nological Journal. 2016. Vol. 18, № 1. P. 55-65. doi: 10.18321/ectj396

15. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982. 658 с.

16. Миодушевский П. В., Андреев П. О., Высоких А. С. Фазовый состав поверхностного слоя образцов моносульфида самария // Вестник Омского ун-та. 2011. №4. С. 122-126.