У першому розділі розглянуто принципи роботи фотоелектричних перетворювачів, охарактеризовані фактори, що впливають на ефективність перетворення, описані тенденції розвитку фотоелектричних перетворювачів. Представлені сучасні досягнення у відносно новому напрямку фотовольтаїчної генерації - термофотовольтаїці.

Типова ТФВ - система складається із трьох основних компонентів: теплового (ІЧ) випромінювача, спектрального фільтра (селектора) та ТФВ - перетворювача. Завдяки можливості повернення невикористаних в ТФВ - перетворювачі фотонів до випромінювача, відносно високим температурам ІЧ - випромінювача (1000 - 2000 К), а також близькому розташуванню джерела випромінювання (~5см) забезпечується більша питома потужність (порівняно із сонячними перетворювачами).

Було показано, що найбільш придатними для використання в термофотовольтаїці є напівпровідники з шириною забороненої зони 0,4 - 0,8 еВ. Існує декілька напрямків розвитку систем ТФВ - генерації. Перший передбачає застосування селективних випромінювачів, виготовлених із оксидів рідкоземельних металів, що випромінюють у вузькому діапазоні спектра. У другому напрямку ТФВ - генерація досягла найбільшого розвитку, коли вдалося успішно сумістити випромінювачі з порівняно широким спектром випромінювання з ТФВ - перетворювачами на основі вузькозонних напівпровідників, здатних максимально використовувати цей спектр. У зв'язку з цим найбільш перспективним напрямком є створення каскадних перетворювачів. Існує два типи таких конструкцій: з механічною стиковкою та монолітні з тунельним p-n - переходом.

Виконано аналіз конструкцій генераторів електричної енергії на основі термофотовольтаїчних перетворювачів. Представлено відомі технічні рішення.

Показано, що відсутній єдиний алгоритм розрахунку ефективності ТФВ - елементів, що дозволяє на попередній стадії проектування системи здійснювати вибір необхідних матеріалів і компонентів для перетворення заданої ділянки ІЧ - спектра, практично не досліджено напрямок ТФВ - енергетики, пов'язаний із утилізацією ІЧ - випромінювання високотемпературних технологічних процесів, недостатньо повно сформована база даних по оптичних і електрофізичних властивостях напівпровідникових матеріалів, придатних для виготовлення ТФВ - перетворювачів, недостатньо повно представлені результати вирішення теплових задач, що мають винятково важливе значення для ТФВ - елементів, що працюють при високих густинах потоків теплової енергії.

У зв'язку з цим виділені основні напрямки досліджень: створення алгоритму розрахунку оптимальних параметрів елементів системи, підбір матеріалу перетворювача, розрахунок очікуваної ефективності, аналіз надійності та довговічності з урахуванням реальних умов експлуатації. Це передбачає пошук нових матеріалів, модернізацію технології виготовлення.

У другому розділі зазначено, що на сьогодні в Україні відсутня єдина методика визначення експлуатаційних параметрів ТФВ - перетворювачів, що спричинило розробку власного обладнання для вимірювання навантажувальних характеристик ТФВ - елементів. Запропонована та захищена Патентом України установка дозволяє імітувати зміну умов експлуатації у широкому діапазоні температур експлуатації Т_е = 100 - 400 К та випромінювання Т_випр = 1073 - 1473 К із одночасним контролем зміни основних параметрів ТФВ - перетворювача.

Для дослідження властивостей перетворювачів створюється градієнт температур за допомогою нагрівального елементу, розташованого поблизу зразка, що тестується. Температурна залежність параметрів перетворювача визначається при випаровуванні теплоносія.

Для дослідження світлових характеристик ТФВ - перетворювачів необхідно забезпечити часову стабільність потоку ІЧ - випромінювання. Стабільність світлового потоку була забезпечена розробленим пристроєм для регулювання та підтримання незмінного струму через карбід-кремнієвий нагрівальний елемент, який використовується в якості випромінювача. Розроблений та атестований пристрій завдяки підвищеній часовій та температурній стабільності (дрейф нуля за 24 години роботи ±8мкВ, відхід нульового рівня при зміні температури навколишнього середовища ± 0,7 мкВ/⁰С) забезпечував достатню для випробувань точність підтримки температури (±5К) в інтервалі температур випромінювача 1073 - 1473 К, що забезпечувало відхилення положення максимуму спектру випромінювання ± 0,012мкм.

Перед тестуванням дослідних зразків виконувались вимірювання потужності випромінювання за допомогою приладу "ИМО - 3". Приймальний елемент цього приладу поглинає теплове випромінювання та перетворює його у термо е. р. с., величина якої фіксувалася вимірювачем ЦР6802.

Методика вимірювання навантажувальних характеристик побудована на порівнянні з еталонним зразком. При цьому забезпечували незмінність відстані від джерела випромінювання до зразків, а також спектральний склад випромінювання за рахунок стабілізації струму через нагрівальний елемент. Вимірювання ВАХ проводиться шляхом зміни опору зовнішнього навантаження R_н і фіксації при цьому значень I_н U_н, при різних R_н. Порівняння отриманих значень із еталоном з відомим к. к. д. дає змогу розрахувати к. к. д. перетворення.

Визначення омічних втрат у ТФВ - перетворювачах включає розрахунок шарового та контактного, а також послідовного та шунтуючого опорів елементів з вимірів навантажувальних та темнових ВАХ.

Порівняння та підтвердження достовірності отриманих результатів виконано у ФТІ ім. Іоффе (С. Петербург) на імпульсному тестері, що є імітатором широкополосного випромінювання.

У третьому розділі розглянуто фізико - технічні принципи функціонування ТФВ - систем. Обґрунтовано можливість використання спектра випромінювання АЧТ, який визначається за формулою Планка, при оцінці очікуваної потужності ТФВ - системи. Використання даного спектрального розподілу енергії при моделюванні дозволяє одержувати достовірні результати розрахунку в інтервалі температур випромінювача 1000 - 3000 К при використанні напівпровідникових матеріалів з E_g у межах 0,4-0,8 еВ. Зазначено, що існує декілька основних шкал виміру. Всі вони рівнозначні, та в залежності від задачі, доцільно користуватися шкалою довжин хвиль або частот. Оскільки величина фотоструму залежить від густини поглиненого потоку фотонів, при моделюванні процесу ТФВ - перетворення доцільно користуватися спектральним розподілом потоку фотонів.

Крім того, по відношенню до випромінювання АЧТ максимум спектра випромінювання реальних тіл зсунутий у бік коротших довжин хвиль. Таким чином, при виборі матеріалу для перетворювача спектра випромінювання тіла із заданою температурою необхідно враховувати зсув максимуму спектрального розподілу густини потоку фотонів відносно екстремуму енергетичної світимості, що складає (?л_max=0.2378?10^-3T^-1 (мкм), ?н_max=1.2531?10¹⁰T (с^-1)). Існує декілька напівемпіричних формул для розрахунку випромінювальної здатності реальних тіл. Кожна з них придатна лише для окремих груп матеріалів та спектральних діапазонів. Крім того, технологічні умови виготовлення матеріалу та якість поверхні ІЧ - випромінювача складним чином впливають на цю залежність. Зазначено, що формула Хагена - Рубенса найбільш придатна для даного спектрального діапазону, що відповідає інтервалу температур 1000 - 2000 К. Запропоновано вольфрам в якості матеріалу для випромінювача завдяки економічної доступності та експериментальної вивченості.

Запропоновано програму комп'ютерного розрахунку параметрів матеріалів та ефективності ТФВ - перетворювачів на їх основі. Її використання дозволяє розрахувати наскільки ефективним буде ТФВ - перетворювач, виготовлений з того чи іншого матеріалу при заданій температурі випромінювача.

Програма дозволяє обирати матеріали із визначеними характеристиками для перетворення ІЧ - випромінювання об'єкта з заданою температурою і розраховувати очікувані значення вихідних параметрів ТФВ - перетворювачів на їх основі. Із цього приводу визначено матеріали із електрофізичними властивостями, придатними для використання у термофотовольтаїці та складена база даних.

При використанні скорегованого спектрального розподілу потоку фотонів виконано попередні розрахунки очікуваної потужності ТФВ - системи. Обґрунтовано доцільність використання обраного спектра модельного джерела випромінювання із урахуванням селективного фільтра. Виконано розрахунок потужності ТФВ - перетворювача із використанням характеристик модельного джерела випромінювання.

Підвищення температури перетворювачів значно знижує вихідні характеристики, насамперед ефективність перетворення. Крім того, в умовах опромінювання фронтальної поверхні потоком ІЧ - випромінювання значної густини і примусового охолодження тильної поверхні можливе виникнення значних градієнтів температур, що може погіршити надійність експлуатації ТФВ - перетворювачів. Для правильного обрання конструкцій ТФВ - перетворювачів та типу охолоджуючих систем потрібно розуміння механізмів теплопередачі в кристалі перетворювача. З цього приводу була вирішена задача стаціонарної теплопередачі для двох типів конструкції ТФВ - перетворювачів - на основі GaSb та InN.

При розрахунках поглинання ІЧ - випромінювання Е АЧТ в розробленій моделі було використано формулу Планка з урахуванням спектральних залежностей коефіцієнтів поглинання матеріалів перетворювача.

Фронтальна поверхня ТФВ - перетворювача охолоджувалась за механізмом природної (, де б₁ - коефіцієнт тепловіддачі природної конвекції, у - коефіцієнт Стефана - Больцмана), а тильна - примусовою конвекцією (, де б₂ - коефіцієнт тепловіддачі примусової конвекції). При моделюванні не враховувались температурні залежності теплофізичних параметрів теплоносіїв (повітря та вода для фронтальної та тильної поверхонь, відповідно). Т₀, Т₁ - Т₄ - температури навколишнього середовища, границь шарів відповідно.

Розв'язання задачі теплопереносу за допомогою ітераційних методів показало відсутність значних градієнтів температур та ефективність обраної системи охолодження. Так, при Т_випр = 1800 К перепад температури між фронтальною та зворотною поверхнями ТФВ - перетворювачів Т₃ - Т₁/х₁+х₂ становить 1,3 К/см для перетворювачів на основі GaSb та Т₄ - Т₁/х₁+х₂+х₃ становить 1,99 К/см для перетворювачів на основі InN, а опромінення призводить до нагріву структур до ? 320 К при температурі навколишнього середовища 300 К.

Розглянуто існуючі принципи взаєморозташування елементів ТФВ - систем. На основі аналізу коефіцієнтів опромінювання згідно закону Ламберта запропоновано конструктивно нову схему взаємного розміщення еміттера і фотоприймача - напівциліндр у напівциліндрі (перетворювач усередині випромінювача), що забезпечує найкращі умови теплообміну та захист від продуктів горіння, що значно знизить деградацію напівпровідникової структури.

Конструкція дозволяє концентрувати випромінювання за рахунок різниці площ випромінювача та ТФВ - перетворювача. Розрахунки показали, що при застосуванні запропонованої конструкції ТФВ - генератора з перетворювачами на основі GaSb з к. к. д. 19,2% при коефіцієнті опромінювання 1,2 на мартенівській печі можна очікувати значення вихідної потужності до 1,75 Вт/см².

Завдяки тому, що тильний бік є плоским, значно спрощується фіксація пристрою на технологічному устаткуванні. Завдяки своїй формі, значно спрощується подача - відвід теплоносія, з'являється можливість виготовляти ці перетворювачі у вигляді автономних блоків. Запропонована конструкція ТФВ - генератора захищена Патентом України.

У четвертому розділі запропонована математична модель і програмне забезпечення для визначення вихідних характеристик перетворювачів при заданій температурі випромінювача та основних параметрів перетворювачів із урахуванням спектрального складу випромінювання реальних тіл (спектральних фільтрів).

За основу цієї математичної моделі був покладений загальний термодинамічний підхід, який був прийнятий та апробований для визначення граничних значень ефективності сонячних елементів. Вважалося, що всі випромінені спектральним фільтром фотони, енергія яких більша за E_g, приймають участь у формуванні фотоструму. В першому наближенні вважали, що незалежно від температури еміттера, температура перетворювача завжди лишалася постійною і дорівнювала 300 К. Для підвищення точності визначення к. к. д. в моделі враховується коефіцієнт відбиття R (л) спектрального фільтру, роль якого полягає у відбитті довгохвильових фотонів назад до випромінювача. Завдяки цьому заощаджується тепло та захищається від перегріву напівпровідниковий перетворювач.

Таким чином, згідно із розрахунками, для роботи із найбільш розповсюдженими температурами технологічних процесів (1000-2000К) найбільш придатними є напівпровідники з E_g = 0,3 - 0,4 еВ (кр.3,4). Реальні випромінювачі (наприклад із вольфраму), завдяки зсуву максимуму інтенсивності випромінювання (спектральний розподіл інтенсивності згідно формули Хагена - Рубенса) передбачають застосування більш широкозонних матеріалів. А, наприклад, ТФВ - перетворювач на основі GaSb для отримання максимальної ефективності перетворювання доцільно застосовувати при температурах випромінювача близько 3000 К (кр.1,2).

Відмічено, що одним з пріоритетних напрямків щодо підвищення ефективності є пошук нових матеріалів. Нещодавно встановлене значно більш низьке значення E_g для InN (E_g ? 0,72 еВ при 300 К) дозволяє розраховувати на його застосування для виготовлення фотоприймачів ІЧ - діапазону.

За допомогою математичного моделювання були отримані основні вихідні характеристики ТФВ - перетворювача на основі цього матеріалу. Для порівняння, були зроблені оцінки вихідних характеристик перетворювачів на основі GaSb, які з успіхом застосовуються в ТФВ - генераторах. Результати розрахунків дали змогу стверджувати, що InN має непогані перспективи стати одним з основних матеріалів при виробництві ТФВ - перетворювачів. Розрахункові дані, отримані щодо GaSb, показали задовільну узгодженість із даними інших авторів, а також із експериментальними результатами. Це дає змогу стверджувати про коректність розробленої математичної моделі процесу ТФВ - перетворення.

Під час сталої роботи спостерігається підвищення температури ТФВ - перетворювача. У роботі наведений детальний аналіз впливу підвищення температури випромінювача та перетворювача на основні електрофізичні параметри матеріалу ТФВ - перетворювача та вихідні характеристики. В результаті комплексного урахування реальних умов експлуатації ТФВ - перетворювачів у пристрої утилізації ІЧ - випромінювання високотемпературних випромінюючих об'єктів вперше виконаний системний аналіз залежностей основних експлуатаційних параметрів ТФВ - перетворювачів (U_рк (T_е), I_o (T_е), з (T_е)) у інтервалі температур випромінювання 1000 - 2700 К від робочих температур приладів у інтервалі 293 - 400 К. Врахування в розробленій моделі залежностей U_рк (T_е), I_o (T_е), з (T_е) підвищило точність розрахунків.

Виконано порівняльний аналіз впливу температурних факторів на властивості перетворювачів. Розрахунки проводилися одночасно для двох матеріалів: InN та GaSb. Однозначно можна стверджувати, що перетворювач із нітриду індію має переваги за всіма показниками перед структурами антимоніду галію. Рис.5 ілюструє температурні залежності нормалізованого до к. к. д. при 300 К ефективності ТФВ - перетворювачів із InN та GaSb при температурі випромінювача 1973 К (пр.1 та 2).

Таким чином, можна стверджувати, що запропонований перетворювач на основі InN має більш слабку температурну залежність к. к. д. ніж перетворювач, виготовлений із GaSb. Переваги InN перед GaSb при підвищених температурах експлуатації стають ще більш вагомими, якщо враховувати, що при підвищенні температури випромінювання зростає доля питомої потужності, яка призводить до нагріву кристалів.

На основі температурних залежностей U_рк (T_е), з (Т_е) отримано числові значення температурних коефіцієнтів та для InN. Визначені переваги InN дозволили запропонувати нову конструкцію ТФВ - перетворювача на його основі, яка захищена Патентом України.

В якості заходів щодо підвищення ефективності ТФВ - перетворення була розглянута тандемна конструкція CuInSe₂ - InN з механічною стиковкою. Для верхнього широкозонного перетворювача був обраний CuInSe₂ з E_g = 0,86 еВ, який має високу термічну стабільність. В якості нижнього елемента був прийнятий перетворювач на основі ITO - InN. Верхній шар такого елемента являє собою оксид ITO n⁺ - типу. Товщина шару складає 0,2 мкм. У якості нижнього шару запропонований InN n-типу на на підкладках сапфіру Al₂O₃. Як перевагу можна відмітити можливість виготовлення структури при низьких температурах (відсутній процес дифузії), високу радіаційну стійкість завдяки сильному електричному полю поблизу поверхні. Було розраховано, що максимальна ефективність перетворення цієї тандемної конструкції досягається при температурі Т_випр=1900К. На основі результатів аналізу впливу умов експлуатації на властивості ТФВ - перетворювачів виконаний розрахунок ефективності перспективної для систем утилізації ІЧ - випромінювання високотемпературних технологічних процесів тандемної структури CuInSe₂ - InN. При цьому очікувані значення к. к. д. = 25,3 %, а питомої потужності складає 3,2 Вт/см² при Т_випр=1900К.

У п'ятому розділі приведені експериментальні результати вимірювання характеристик ТФВ - перетворювачів та виконані порівняння із результатами розрахунків по розробленій математичній моделі. Наведено спектральні характеристики ТФВ - перетворювачів на основі p-n - структури монокристалічного GaSb, які характеризуються досить високим зовнішнім квантовим виходом Q (л) ? 0,65 у діапазоні 780?л?1580 нм, що дозволяє успішно використовувати його з випромінюванням об'єктів з температурою 1700 ? Т_випр ? 3400 К. Наведені навантажувальні характеристики GaSb ТФВ - перетворювачів, виконано їх аналіз та розраховано величини омічних втрат. Шаровий та контактний опір дорівнював відповідно R_c = 0,137 Ом та R_k = 0,038 Ом, а послідовний та шунтуючий опір відповідно R_s = 0.4 Ом та R_sh = 6 Ом. Тестові ТФВ - перетворювачі на основі антимоніду галію були виготовлені в ФТІ ім. Іоффе і характеризувались наступними параметрами І_кз = 1,02 А·см^-2, U_рк = 0,435 В, Р_опт = 0,488 Вт (при площі 2 см²), FF = 54,8%, монохроматичний к. к. д. = 35,5%.

За допомогою пірометричних досліджень та вимірювання потужності випромінювання встановлено просторовий розподіл випромінювання від SiC - нагрівача, а також розподіл температури вздовж його довжини та вплив цих чинників на ефективність перетворення ІЧ - випромінювання при Т_випр 1035 - 1400 К при застосуванні ТФВ перетворювача на основі GaSb. На рис.6 наведено порівняння розрахункової та експериментальної залежності вихідної електричної потужності Р_ел від температури випромінювача із SiC. При цьому розрахункова залежність електричної потужності визначалась Р_ел= з·Р_л<лгр. Експериментально отримані параметри ТФВ - перетворювачів задовільно співпадають із результатами комп'ютерного моделювання та розрахунків. Систематичне відхилення значень Р_ел, що спостерігаються (рис.6), можна пояснити неоднорідним розподілом потоку ІЧ - випромінювання, а також відсутністю спектрального фільтра, що призводило до опромінення поверхні перетворювача довгохвильовим потоком фотонів значної густини, що приводило до підвищування інжекційного та рекомбінаційного струмів. А це значно знижувало параметр U_рк відносно розрахункового.

Висновки

1. Розроблено математичну модель фізичного процесу та створено комп'ютерну програму, що дозволяє розраховувати основні вихідні характеристики ТФВ - перетворювачів в залежності від характеристик матеріалу та умов експлуатації. На основі результатів дослідження процесів випромінювання реальних тіл додані уточнення в математичну модель процесу ТФВ - перетворення, зокрема, спектральні залежності коефіцієнта пропускання спектрального фільтра, U_рк, I_ф, к. к. д. ТФВ - перетворювачів.

2. Розроблено та виконано метрологічну атестацію вимірювального стенду, здатного підтримувати температуру перетворювача, що тестується, в межах 100 - 400 К та відхилення максимуму спектра випромінювання ± 0,012мкм при визначенні навантажувальних характеристик ТФВ - перетворювачів. Конструкція захищена Патентом України. Методика вимірювання впроваджена на ДП "Дніпро-напівпровідники" в експериментальному виробництві.

3. На основі комплексного аналізу особливостей процесів теплообміну випромінюванням запропоновано та захищено Патентом України оптимальне для систем утилізації ІЧ - випромінювання взаєморозташування елементів генератора - напівциліндр у напівциліндрі, завдяки якому забезпечується герметичність конструкції, спрощується монтаж на технологічному обладнанні та підвищується коефіцієнт опромінювання.

4. Запропоновано та захищено Патентом України застосування нітриду індію в якості матеріалу для ТФВ - перетворювачів. Використання ТФВ - перетворювачів на основі InN забезпечує переваги при підвищених температурах експлуатації перед відомими конструкціями ТФВ - перетворювачів із антимоніду галію.

5. Встановлено залежності основних характеристик перетворювачів від умов експлуатації. Значення для InN дорівнюють - 1,457·10^-3 К^-1, та - 1,766·10^-3 К^-1 при температурі 300К та 400К, відповідно, для джерела випромінювання з температурою 1973К. Температурні коефіцієнти для InN складають - 1,258·10^-3 К^-1 та - 1,397·10^-3К^-1 при температурі 300К та 400К, відповідно, для джерела випромінювання з температурою 1973К.

6. Показано, що конструкція тандемного ТФВ - перетворювача на основі CuInSe₂ - InN має перспективи щодо використання в системах перетворення ІЧ - випромінювання технологічних процесів завдяки відносно малозатратній технології виготовлення та достатньо високій ефективності (к. к. д. = 25,5 %, питома потужність 3,2 Вт/см² при Т_випр=1900 К).

7. На основі експериментально визначених параметрів перетворювачів з GaSb та аналізу енергетичних та омічних втрат визначено вплив спектрального складу випромінювання та температури експлуатації на ефективність перетворення та підтверджено коректність розробленої математичної моделі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Подбор оптимальных параметров материалов для термофотовольтаических преобразователей. // Петербургский журнал электроники. - 2002. - №2 (31). - С.37 - 39.

2. Шутов С.В., Аппазов Э.С. О возможности использования инфракрасного излучения высокотемпературных технологических процессов. // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - №2 - С.75 - 77.

3. Андронова Е.В., Аппазов Э.С., Лисовой Б.В., Елисеев А.В., Марончук А.И. О применении фотовольтаических преобразователей в энергосберегающих системах. // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002. - №3 (16). - С.41 - 43.

4. Елисеев А.В., Шепель А.М., Самойлов Н.А., Аппазов Э.С. Контроль параметров омических контактов в процессе производства полупроводниковых приборов. // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002. - №4 (13). - С.443 - 444.

5. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний. // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2003. - №1 (11). - С.113 - 115.

6. Шутов С.В., Аппазов Э.С. О возможности применения нитрида индия в термофотовольтаике. // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т.30, Вып.8. - С.7-11.

7. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Температурная стабильность ТФВ - преобразователей на основе InN. // Новые технологии. - 2004. - №3 (6). - С.72-75.

8. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Практические исследования термофотовольтаических преобразователей. // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2004. - №2 (20). - С.306 - 309.

9. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей. // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2004. - №2 (14). - С.269-272.

10. Аппазов Е.С., Шутов С.В., Грабовський А.В. ТФВ - преобразование. Комп'ютерна програма. Авторське право на твір. Свід. №6526, Україна. Заявлено 10.09.2002 р. Реєстрація 08.11.2002 р.

11. Пат.55796А Україна, G01R31/26. Пристрій для вивчення експлуатаційних характеристик фотовольтаїчних перетворювачів. Лубяний В.З., Шутов С.В., Аппазов Е.С., Марончук О.І. №2002065226. Заявлено 25.06.2002. Опубл 15.04.2003. Бюл №4.

12. Пат 67417А Україна, H01L31/08,31/04. Термофотовольтаїчний перетворювач. Лубяний В.З., Шутов С.В., Аппазов Е.С., Марончук О.І. №2003098558. Заявлено 18.09.2003 р. Опубл 15.06.2004. Бюл № 6.

13. Пат 4781 Україна, H02N06/00. "Термофотовольтаїчний генератор" Аппазов Е.С., Шостак В.І., Шутов С.В., №2004032163 Заявлено 23.03.2004р. Опубл 15.02.2005. Бюл № 2.

14. Шутов С.В., Марончук А.И., Аппазов Э.С. Измерение параметров фотовольтаических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний. // Материалы международной конференции "Физика электронных материалов". - 1-4 октября 2002 г. - Калуга. - С.384 - 385.

15. Шутов С.В., Аппазов Э.С., Лисовой Б.В., Андронова Е.В. Тенденция применения термофотовольтаических преобразователей. // Труды 3-й международной научно - практической конференции "Современные информационные и электронные технологии". - 21-24 мая 2002 г. - Одесса. - С.220.

16. Лубяный В.З., Шутов С.В., Аппазов Э.С. Современные тенденции развития термофотовольтаики. // Сборник докладов 15-го международного симпозиума "Тонкие пленки в оптике и электронике". - 21-26 апреля 2003г. - Харьков. - С.259-262.

17. Шутов С.В., Аппазов Э.С. Учет параметров селективных фильтров при расчете к. п. д. ТФВ - преобразователя. // Матеріали ІХ міжнародної конференції "Фізика і технологія тонких плівок". - Івано-Франківськ. - 2003. - Т.2. - С. 204-205.

18. С.В. Шутов, Э.С. Аппазов, В.И. Шостак. Термостабильность эксплуатационных характеристик ТФВ - преобразователя на основе InN. // Труды 5-й международной научно - практической конференции "Современные информационные и электронные технологии". - 17-21 мая 2004г. - Одесса. - С.176.

19. S. Shutov, E. Appazov, V. Shostak. New application of InN. // InN, GaN, AlN and related materials, their heterostructures and devices. E-MRS Spreeng Meeting 2004. May 24-28. - 2004. - Strasbourg. - L/PII.03.

20. S. Shutov, E. Appazov, V. Shostak. Maximum possibilities In_xGa_1-xN solid solution solar cells. // Abstract II Intern. Conf. оn Materials Science and Condensed matter Physics. - Sept.21-26.2004. - Chisinau. - p.28.

Анотації

Аппазов Е.С. Термофотовольтаїчні перетворювачі випромінювання високотемпературних технологічних процесів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки, Інститут фізики напівпровідників ім.В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню процесу ТФВ - генерування для створення високоефективних ТФВ - систем, що дозволили б утилізувати непродуктивні викиди тепла високотемпературних технологічних процесів в атмосферу. Розроблено алгоритм програми, що дозволяє на попередньому етапі проектування визначити основні параметри матеріалу, оцінити вихідні характеристики ТФВ - перетворювачів при відомих умовах експлуатації. Запропоновано використання InN для виробництва ТФВ - перетворювачів. За допомогою програми зроблена оцінка його ефективності і показані переваги перед GaSb - традиційним матеріалом для термофотовольтаїки.

Розроблено стенд для контролю параметрів ТФВ - перетворювачів. Проведено вимірювання тестового зразка ТФВ - перетворювача на основі GaSb та показано відповідність експлуатаційних характеристик з розрахунковими даними. Показано задовільну узгодженість отриманих даних із вимірами на устаткуванні інших типів.

Ключові слова: Термофотовольтаїка, технологічний процес, ТФВ - перетворювач, ІЧ - випромінювання, коефіцієнт корисної дії.

Аппазов Э.С. Термофотовольтаические преобразователи излучения высокотемпературных технологических процессов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники, Институт физики полупроводников им.В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию процесса ТФВ - генерации для создания высокоэффективных ТФВ - систем, которые позволили бы утилизировать непроизводительные выбросы тепла высокотемпературных технологических процессов в атмосферу. Разработан алгоритм программы, позволяющий на предварительном этапе проектирования осуществить выбор материала, оценить выходные характеристики преобразователя на его основе при известных условиях эксплуатации. Предложено использование InN для производства ТФВ - преобразователей. Произведена оценка его эффективности и показаны преимущества перед GaSb - традиционным материалом для термофотовольтаики. По данным расчетов, структура на основе InN обладает большей температурной стабильностью, и, как следствие, более высоким к. п. д. при повышенных температурах преобразователя. Для повышения эффективности использования ИК - излучения предложена тандемная конструкция CunSe₂-InN, эффективность которой определена при помощи разработанного алгоритма. При температуре излучателя 1900 К возможно достижение к. п. д.25%, и удельной мощности 3,2 Вт/см².

Проанализирован процесс теплообмена излучением. Решена задача теплопередачи и показано, что при работе с температурами излучателей, соответствующими наиболее распространенным технологическим процессам (1000 - 2000 К), максимальный градиент температур внутри преобразователя не превышает 2К/см. Предложена новая схема компоновки ТФВ - системы - полуцилиндр в полуцилиндре. Благодаря расположению преобразователей внутри излучателя увеличивается степень концентрации излучения, повышается удельная мощность ТФВ - системы.

Разработан и метрологически аттестован стенд для контроля нагрузочных характеристик ТФВ - преобразователей, позволяющий поддерживать температуру тестируемой структуры в пределах 100 - 400 К при поддержании температуры источника излучения 1073 - 1473 К с точностью ± 5К. Выполнены экспериментальные исследования образцов ТФВ - преобразователей на основе GaSb, которые подтвердили корректность разработанной математической модели. Отклонение расчетного значения выходной мощности от измеренных параметров наблюдается по причине несоответствия спектрального диапазона излучателя характеристике материала. Предложены пути развития ТФВ - систем преобразования излучения высокотемпературных технологических процессов.

Ключевые слова: Термофотовольтаика, технологический процесс, ТФВ - преобразователь, ИК - излучение, коэффициент полезного действия.

Appazov E.S. Thermophotovoltaic converters of radiations of high-temperature technological processes. - Manuscript.

Thesis for candidate degree in technical sciences by speciality 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic technique. - V. Lashkaryov Institute of semiconductor physics, Kiev, 2006.

Dissertation is devoted to research of the TPV process - generation for creation of high-performance TPV - systems, that allowed to utilize the unproductive troop landings of heat of high temperature technological processes in an atmosphere. A developed program algorithm allows to define the basic parameters of material, evaluate the initial descriptions TPV - converters at the known external environments on the previous stage of planning. It is offered the InN use for the production of TPV-converters. It is made program-assisted estimation of its' efficiency and shown advantages before GaSb - the traditional material for thermophotovoltaics.

A stand is developed for the control of the parameters of TPV - converters. Measuring is conducted of the test standard TPV - converter on the basis of GaSb and accordance of operating descriptions is shown with calculation data. Satisfactory co-ordination of findings is shown with measuring on the equipment of other types.

Key words: Thermophotovoltaic, technological process, TPV - converter, IR - radiation, efficiency.

Размещено на Allbest.ru