| Название: | Исследование термовольтаического эффекта в редкоземельных полупроводниках в среднетемпературном интервале и создание преобразователя тепловой энергии в электрическую на его основе |
| Грантодатель: | РФФИ |
| Область знаний: | 08-ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК |
| Научная дисциплина: | 08-402 Возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии 02-202 Полупроводники |
| Ключевые слова: | Редкоземельные полупроводники,моносульфид самария, термовольтаический эффект, термоэлемент, градиент, концентрация примеси, энергия активации, электропроводность, преобразователь |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Каминский,ВВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 19-08-00576 |
| Финансирование 2019 г.: | 989520 |
| Финансирование 2020 г.: | 1000000 |
| Финансирование 2021 г.: | 1000000 |
| Исполнители: |
Шаренкова,НВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Романова,МВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Каменская,ГА: 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)
Хавров,ГД: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
Маркова,ЮВ: лаб. физики редкоземельных полупроводников (Соловьева,СМ)
|
Актуальность поисков новых принципов преобразования различных видов энергий и, в частности, преобразования тепловой энергии в электрическую, определяется общей тенденцией к переходу к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Редкоземельные полупроводниковые материалы обладают необычными, а иногда уникальными физическими свойствами. В 1999 г. при исследовании электрических свойств сульфида самария (SmS) нами обнаружен новый эффект, заключающийся в генерации образцом при однородном его нагреве до Т ~ 375 - 405 К электродвижущей силы (ЭДС), достигавшей в отдельных экспериментах величины 2,5 В в импульсе длительностью 1,3 сек и 0.05 В в непрерывном режиме [В.В. Каминский, С.М. Соловьёв. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS. ФТТ, 2001, т.43, в.3, с.423-426]. Впоследствии этот эффект был назван термовольтаическим и обнаружен также на других полупроводниках: ZnO, Ge, Si и различных полупроводниках сложного состава. Проведённые в 2012 году прямые эксперименты по определению КПД преобразования тепловой энергии в электрическую на основе термовольтаического эффекта показали величины до 28% [В.М.Егоров, В.В.Каминский, М.М.Казанин, С.М.Соловьев, А.В.Голубков КПД преобразования тепловой энергии в электрическую за счет термовольтаического эффекта, Письма в ЖТФ, 2013, т.39, в.14, с.57-61]. Впоследствии были получены величины КПД до 36%. Если учесть, что КПД преобразования на оcнове классического термоэлектрического эффекта (эффект Зеебека) достигает лишь ~10%, то полученные на ТВЭ в SmS значения заслуживают пристального внимания. Исследования показали, что природа эффекта связана с изменением валентности дефектных ионов самария, находящихся в вакансиях подрешётки серы: Sm^{2+} > Sm^{3+} + e^{-}. При этом электроны с 4f-оболочки переходят в зону проводимости и создаются большие локальные концентрации носителей заряда. Такие переходы электронов в зону проводимости носят коллективный характер. Согласно модели термовольтаического эффекта, предлагаемой в [Каминский В.В. Динамика термовольтаического эффекта в SmS, Письма в ЖТФ, 2013, т.39, в.15, с.12-17], эти переходы электронов сопровождаются возникновением импульсов электрического напряжения и синхронными с ними тепловыми процессами. Эффект генерации ЭДС в SmS наблюдается до Т~470К. При более высоких температурах происходит истощение примесных донорных уровней с Еi~0,04 эВ, градиент концентрации которых по объёму образца вызывает наличие ТВЭ. Для практических применений важным является переход в среднетемпературную область (700-1000К). Суть предлагаемого проекта заключается в том, чтобы создать полупроводниковый материал с повышенными рабочими температурами и величинами выходного сигнала генерации. Предлагается создать полупроводниковый материал и термоэлемент на его основе, работоспособный при Т>700К в условиях отсутствия искусственно создаваемых градиентов температуры. В настоящее время таких термоэлементов не существует. Планируется изготовить макет термоэлемента (Траб. > 800К, Uвых>0,2В, вес ~1гр) и зарядного устройства для аккумулятора на основе батареи таких термоэлементов
