| Название: | Исследование физического механизма возникновения импульсной генерации при термовольтаическом эффекте в SmS и ее влияние на повышение генерируемой мощности и КПД преобразования |
| Грантодатель: | РФФИ |
| Область знаний: | 08-305 Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии |
| Научная дисциплина: | 08-402 Возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии |
| Ключевые слова: | электронная оболочка, переменная валентность, генерация, электродвижущая сила, электрическая энергия, тепловая энергия, коэффициент полезного действия, редкоземельный полупроводник, сульфид самария, преобразователь |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Каминский,ВВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 14-08-00591 |
| Финансирование 2014 г.: | 550000 |
| Финансирование 2015 г.: | 550000 |
| Финансирование 2016 г.: | 550000 |
| Исполнители: |
Егоров,ВМ: лаб. динамики материалов (Перцева,НА)
Голубков,АВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Шаренкова,НВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Романова,МВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Казанин,ММ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Соловьев,СМ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Степанов,НН: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Гревцев,МА: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Казаков,СА: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
|
Изготовлены поликристаллические образцы Sm1+хS, где х=0;0.02;0.03;0.04;0.05; 0.06;0.08;0.17, а также поликристаллические образцы Sm1-xGdxS, при х=0.05;0.11;0.13;0.30. Изготовлены двухслойные объёмные гетероструктуры с составами Sm1+xS/SmS, где х=0.04;0.08;0.16;0.17, а также структуры состава EuS/SmS и Sm1-xGdxS/SmS, где х=0.05;0.11;0.13;0.30. Изготовлена серия двухслойных тонкоплёночных структур сэндвичевого типа с составами Sm1+xS/SmS, где х=0.04;0.10;0.17. Разработана методика получения толстых (50-100 мкм) плёнок SmS и Sm1+xS, изготовлены двухслойные плёнки Sm1.15S/SmS. Разработана методика изготовления слоистых структур Sm1+xS/Sm/Me, где х=0.04;0.05;0.06;0.07; 0.08;0.10;0.15;0.16;0.17, Ме=Мо, Та, Со. . Изготовлены объёмные моно- и поликристаллические двухслойные образцы составов SmS/Sm, SmS/Gd, а также Sm1-xEuxS/SmS, где х=0.1; 0.3; 0.6; 0.7; 1.
Создана установка для измерения генерации, а также возникающих при этом импульсов напряжения при термовольтаическом эффекте. Сняты температурные и временные зависимости напряжения, генерируемого при термовольтаическом эффекте на всех изготовленных образцах. Выяснилось, что наличие импульсов с повышенным напряжением (до 12В) на КПД не сказывается ввиду их малой мощности. Скважность возникающих при термовольтаическом эффекте в SmS импульсов была оценена как 107-108 (длительность импульсов менее 10-7с). В результате, генерируемая импульсами мощность составляет величины порядка 0.2 мкВт, в то время как генерируемая мощность достигает величин 1 мВт, что на 4 порядка больше. Разработаны основы теоретической модели генерации при термовольтаическом эффекте, связывающие величину генерируемого напряжения с параметрами материала и температурами наблюдения эффекта. Получены формулы, связывающие величину напряжения выходного сигнала с концентрациями донорных уровней, их энергиями активации, а также высотами потенциальных барьеров между кристаллитами в приконтактных областях образца. Полученные соотношения проверены и подтверждены экспериментально. На основании их показана причина возникновения импульсов повышенного напряжения, которая заключается в задействовании в процессе генерации 4f –уровней самария. Были проведены исследования коэффициента полезного действия (КПД) преобразования тепловой энергии в электрическую на основе термовольтаического эффекта. Обнаружен рост КПД со временем от 17 до 36% при постоянной температуре 433К. Проводилось исследование возможности коммутации термоэлементов. Удалось соединить элементы как последовательно, так и параллельно. В первом случае складываются электрические напряжения, во втором – складываются генерируемые токи. Эксперименты проводились на объёмных образцах Sm1.04S/SmS и SmS/EuS, на тонкоплёночных образцах Sm1.10S/SmS. Показано, что основным параметром, влияющим на электрические свойства рассматриваемых полупроводников, является размер областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения. Выявлен механизм электропереноса в Sm1-xEuxS, где х=0.1; 0.3; 0.6; 0.7; 1, основанный на комбинации зонной и прыжковой проводимостей. Установлено, что гидростатическое сжатие гетероструктуры Sm1-xEuxS/SmS приводит к уменьшению величины генерируемого напряжения. Были экспериментально проверены и подтверждены выведенные нами формулы для расчёта амплитудных выходных сигналов, генерируемых при термовольтаическом эффекте. Изготовлено и испытано 10 лабораторных образцов термоэлементов на металлической основе с составом Sm1+xS/Sm/Me, х=0-0.01 где Ме=Мо, Со. Сконструированы и изготовлены стабильные в эксплуатации термоэлементы, работающие в условиях отсутствия градиента температуры на принципе термовольтаического эффекта. Их параметры таковы: генерируемое напряжение при Т = 170 ° С равно ? 25 мВ; мощность ? 100 мкВт; вес ? 0,5 г, КПД до 36%. Подана заявка для получения патента на изобретение.
