Главная   О компании   Структура

Лаборатория теоретической физики и квантовой электроники

Заведующий: И.Е.Проценко

Сотрудники: А.П.Болтаев, В.В.Климов, К.Е.Кротова, А.В.Ларин, Ф.А.Пудонин, А.В.Усков, И.А.Шерстнев.

Целью наших работ является проведение исследований и экспериментов, направленных, в первую очередь, на внедрение в практику фундаментальных научных результатов. Экспериментальные исследования сочетаются с теоретическим моделированием создаваемых устройств для оптимизации их свойств.

Основные направления работы:

повышение эффективности солнечных элементов с помощью металлических наночастиц.

Используются просветляющие свойства покрытий, содержащих металлические наночастицы золота, серебра и других металлов. Покрытия наносятся на поверхности кремниевых кристаллических солнечных элементов (СЭ) термовакуумным или магнетронным напылением или осаждением из волнового раствора.

Достигнуто увеличение эффективности СЭ в ИК диапазоне (длина волны света > 550 нм) – в 1.4 раза.

3D АСМ изображение поверхности кремниевой пластины с наночастицами серебра, напыленными термовакуумным способом

3D АСМ изображение поверхности кремниевой пластины с наночастицами серебра, напыленными термовакуумным способом

Островковая пленка металла (слева), нанесенная на половину стандартного солнечного элемента.

Островковая пленка металла (слева), нанесенная на половину стандартного солнечного элемента.

Относительное изменение спектральной зависимости 
фототока  солнечного элемента на монокристалличес-ком кремнии после формирования на его лицевой поверхности  наночастиц серебра с диэлектрическим подслоем.

Относительное изменение спектральной зависимости фототока солнечного элемента на монокристалличес-ком кремнии после формирования на его лицевой поверхности наночастиц серебра с диэлектрическим подслоем.

Изображение поверхности полированной кремниевой пластины с  наночастицами серебра,  нанесенными физикохимическим способом. Размер площади сканирования -3х3 мкм2.

Изображение поверхности полированной кремниевой пластины с наночастицами серебра, нанесенными физикохимическим способом. Размер площади сканирования -3х3 мкм2.

Увеличение плотности энергии электромагнитного поля в окрестрости металлических наночастиц (расчет)

Увеличение плотности энергии электромагнитного поля в окрестности металлических наночастиц (расчет)

Согласно теоретическим оценкам: оптимизируются возможности использования сферических серебрянных наночастиц для повышения эффективности СЭ во всем спектральном диапазоне, проводятся работы по использованию алюминиевых наночастиц – без поглощения в видимой области и внедрения наночастиц внутрь полупроводниковых слоев тонопленочных солнечных элементов.

Работы ведутся в сотрудничестве с лабораториями технологических процессов и физикохимии наноструктур ООО «Плазмоника», российскими производствами СЭ (в т.ч. заводом ПОЗИТ), российскими и зарубежными научными центрами, в т.ч. Институтом солнечной энергии Хамлена (Institut für Solarenergieforschung Hameln ISFH, Германия), Mads Clausen Institute (MCI), University of Southern, Дания.

Термоэлектричские преобразователи

Актуальной задачей является использование энергии, выделяющейся при конденсации водяного пара тепловых электростанций. Каждый килограмм пара, выходящий из турбины тепловой электростанции, при конденсации отдает примерно 530 ккал тепла. насыщенный водяной пар (желтая область на рис.) существует при температуре T < Tcr = 647K (374C). Таким образом, в данном случае интерес представляют термоэлектрические преобразователи для тепловых источников с температурой не более 370 С. На рисунке показана схема и фото демонстрационного образца термобатареи на полупроводниковых элементах.

Схема лабораторного образца термопреобразователя

Схема лабораторного образца термопреобразователя

Лабораторный образец термопреобразователя с полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Лабораторный образец термопреобразователя с полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Для одного “столбика”: ЭДС = 0.2 В при сопротивлении источника и нагрузки r=R=2 Ом и ∆T=T1-T2=280 C, что соответствует удельной мощности dW/dT=20 мкВт/град. Площадь основания столбика: S=0.25см2.

Число столбиков N=20. Мощность: W=N*(dW/dT) *∆T≈0.1 Вт с площади 20 столбиков SN=5 см2. Т.е. можно достичь плотности мощности ~200 Вт/м2. Требуется надежная теплоизляция поверхностей 1 и 2 так, чтобы при температуре T1 = 300 С поверхности 1 температура T2 верхней части термоэлементов 2 была бы 20 С.

Полупроводниковые материалы (особенно на основе тройных соединений) оказываются не подходящими (из-за нестойкости и высокой цены) для широкомасштабного использования в низкотемпературных термопреобразователях в условиях ТЭЦ. В этих условиях, металлические термопреобразователи имеют приемущество, но их КПД не превосходит 1%. Таким образом, для решения поставленной задачи требуются принципиально новые материалы.

Два проводника, соединенные тунельным переходом. Чем выше температура T проводника, тем больше вероятность W тунеллирования электрона, следовательно будет происходить перенос заряда через тунельный переход.

Два проводника, соединенные тунельным переходом. Чем выше температура T проводника, тем больше вероятность W тунеллирования электрона, следовательно будет происходить перенос заряда через тунельный переход.

Коэфициент термопреобразования в записимости от ширины тунельного перехода.

Коэфициент термопреобразования в записимости от ширины тунельного перехода.

Мы предлагаем исследовать термопреобразователь на основе материалов с тунельными переходами между металлами, например, металлическими наночастицами. Оценки показывают, что коэфициент α термопреобразования тунельного перехода оказывается порядка сотен мкВ/K, т.е. сравнимым с коэфициентом термоЭДС для полупроводниковых материалов. Например, для h=5 нм α = 200 мкВ/K а для h=10 нм α = 110 мкВ/K.

Наноразмерные излучатели и нанолазеры

Схема дипольного нанолазера. 1 – металлическая наночастица, 2 – двухуровневая система (квантовая точка) 3 – накачка током инжекции 4 – дипольное излучение.

Схема дипольного нанолазера. 1 – металлическая наночастица, 2 – двухуровневая система (квантовая точка) 3 – накачка током инжекции 4 – дипольное излучение.

В патенте [1] и работах [2, 3] предложен и теоретически исследован дипольный нанолазер (ДНЛ), состоящий из металлической наночастицы и излучателя, представляющего собой двухуровневую систему см. рис. 1. Последняя может быть, например, люминесцирующей частицей (молекулой красителя), ионом редкоземельного элемента, нанокристаллом алмаза с излучающим NV центром или квантовой точкой. В дальнейшем был выполнен подробный теоретический анализ ДНЛ, в частности, рассмотрены несколько возможных схем практической реализации ДНЛ [4], учтено спонтанное излучение, которое играет существенную роль в ДНЛ, и рассмотрена генерация ДНЛ ниже порога [5] – сделан анализ ДНЛ как резонансного наноразмерного излучателя, а также исследованы некоторые практические приложения ДНЛ, в частности, как наноразмерных оптических переключателей [7] или широкополосных оптических модуляторов [8].

Эксперименты, выполненные в лаборатории технологических процессов ООО «Плазмоника» (С.А.Казарян, Н.Ф. Стародубцев), показывают существенное увеличение фотолюминесценции полупроводиковой (альфа-Si:H) подложки, на которую нанесены металлические (Ag) наночастицы, по сравнению с люминесценцией областей той же подложки без наночастиц – см. рис. ниже. Этот эффект можно интерпретировать, как излучение совокупности дипольных нано-лазеров ниже порога лазерной генерации.

В настоящее время продолжаются теоретические исследования ДНЛ и экспериментальные исследования увеличения фото- а также электролюминесценции за счет металлических наночастиц.

Спектры микрофотолюминесценции

Интенсивность люминесценции характеризуется шкалой цветовых градаций на рис. слева. Спектры микрофотолюминесценции в точках 1-5 показаны на рис. справа, отмечены максимумы люминесценции альфа-Si:H. Наличие наночастиц приводит к более чем двукратному увеличению интенсивности люминесценции, что указывает на сответствующее увеличение числа фотоиндуцированных носителей при наличии наночастиц Ag.

Световые панели

Нами разрабатывается методика расчетов световой панели, состоящей из прозрачного световода, торцы которого освещаются источниками света (светодиодами) с учетом распространения в панели как волноводных мод, так и излучения, выходящего через рабочую поверхность панели. Будут смоделированы оптимальные схемы светоотражающих областей и проведены соответствующие эксперименты.

Литература

  • [1] 1. О.А. Займидорога, И.Е. Проценко, В.Н. Самойлов «Способ генерации когерентного электромагнитного излучения и дипольный нанолазер на его основе» патент РФ RU 2249278 C2, действует от 21.04.2003.
  • [2] Protsenko I.E., Uskov A.V., Zaimidoroga O.A., Samoilov V.N., O'Reilly E.P. “Dipole nanolaser” Phys. Rev. A. vol. 71. P. 063812 (2005).
  • [3] И.Е. Проценко, А.В. Усков, О.А. Займидорога, В.Н. Самойлов и E. P. O'Reilly «Дипольный нанолазер» Международная конференция ICONO/LAT Санкт-Петебург, 11-15 мая 2005, ICONO/LAT conference program p. 99 (2005).
  • [4] Protsenko I.E., O'Reilly E.P. “Dipole lasing phase transitions in media with singularities in polarisabilities” Phys. Rev. A. vol.74. P. 033815 (2006).
  • [5] I.E. Protsenko, A.V. Uskov, K.E. Krotova and E.P. O'Reilly “Dipole nanolaser” Journal of Physics: Conference Series vol. 107, 012010 (2008).
  • [6] К.Е. Кротова, И.Е. Проценко, "Бистабильности в гетерогенных усиливающих и поглощающих средах и разработка нано-размерных оптических реключателей, затворов и преобразователей информации на их основе", "X Международные чтения по квантовой оптике", 18-22 сентября 2007 г., Самара
  • [7] I.E. Protsenko, K.E. Krotova «Nano-LED with broad band of modulation» International conference “Nanomeeting 2009” may 26-29 Minsk, Belarus.

Вся структура