Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск

Исследования термовольтаического эффекта в полупроводниках в среднетемпературном интервале

https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-37-44

Полный текст:

Аннотация

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/Sm1-хLnхS, 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.

Об авторах

В. В. Каминский
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Россия

Каминский Владимир Васильевич - доктор технических наук (1991), главный науч. сотрудник, заведующий лабораторией.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021



С. М. Соловьев
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Россия

Соловьев Сергей Михайлович - кандидат физико-математических наук (2007), старший научный сотрудник.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия



Н. В. Шаренкова
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Россия

Шаренкова Наталия Викторовна - кандидат физико-математических наук (2010), старший научный сотрудник.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021



М. М. Казанин
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Россия

Казанин Михаил Михайлович - кандидат физико-математических наук, (1988), старший научный сотрудник.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021


Н. М. Судак
ЭРА-СФТИ, ООО
Россия

Судак Николай Максимович - заместитель директора института СФТИ (г. Сухум), главный конструктор ООО "ЭРА-СФТИ", начальник конструкторского бюро.

Пос. Агудзера, 384964, республика Абхазия



М. И. Залдастанишвили
ЭРА-СФТИ, ООО
Россия

Залдастанишвили Мераб Иванович - заместитель начальника лаборатории термоэлектрического материаловедения.

Пос. Агудзера, 384964, республика Абхазия



Список литературы

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.


Для цитирования:


Каминский В.В., Соловьев С.М., Шаренкова Н.В., Казанин М.М., Судак Н.М., Залдастанишвили М.И. Исследования термовольтаического эффекта в полупроводниках в среднетемпературном интервале. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019;22(6):37-44. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-37-44

For citation:


Kaminskiy V.V., Solov'ev S.M., Sharenkova N.V., Kazanin M.M., Sudak N.M., Zaldastanishvili M.I. Studies of the Thermovoltaic Effect in Semiconductors in the Medium Temperature Range. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019;22(6):37-44. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-37-44

Просмотров: 90


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)