Фотоэлемент
Заявляемое техническое решение относится к области электроники. Устройство содержит: кювету 1, изготовленную из прозрачного для светового излучения материала, заполненную электролитической средой 2, содержащей гидратированные органические макромолекулы и ионы 3, и выполняющую роль приемника оптического излучения, электроды 4. Кювета 1 с электродами 4 представляет собой ячейку фотоэлемента. К ячейке прикреплен излучатель 5 - источник акустического, электрического, момагнитного или теплового поля. Для реализации предлагаемого фотоэлемента не требуется специализированного сложного и дорогостоящего оборудования или большого технологического комплекса. Химические соединения, применяемые в настоящей полезной модели, доступны, обладают низкой себестоимостью. 2 илл.
Заявляемая полезная модель относится к области электроники, а именно к фотоэлементам, которые востребованы в различных сферах деятельности человека и активно применяются не только в целях автоматизации различных технологических процессов в промышленном производстве, но и в бытовых приборах. Поэтому разработка фотоэлементов представляет собой перспективное направление современной электроники.
На сегодняшний день известно достаточно много модификаций фотоэлементов. Они, например, могут быть сформированы на основе многослойных полупроводниковых структур (патент РФ 
2419918), представляющие собой сложные слоистые образования, на которых напыляют омические контакты, также фотоэлементы могут состоять из множества сферических частиц, внутренняя часть которых выполнена с одним типом проводимости, в то время как внешняя часть выполнена с обратным типом проводимости (патент РФ 2390881) или содержать монокристаллическую подложку кремния дырочной или электронной проводимости, на которой расположены слои полупроводника n+ и р+ типа с p-n-переходом и прозрачный полупроводящий слой, в который введены наночастицы металла, при этом каждая частица находится в углублении (ямке), а между наночастицей и поверхностью р-n-перехода подложки находится тонкий, менее 10 нм, диэлектрический слой (патент РФ 2390075), также в качестве примера можно привести патент РФ 2387041 и др.
Известно, что французский физик А. Беккерель при облучении солнечным светом одного из колен U-образной трубки обнаружил в цепи электрический ток. При воздействии света на жидкости роль носителей заряда при возникновении электрического тока зачастую выполняют ионы растворенных в жидкости веществ, реже ионы самой жидкости или растворителя. При поглощении электромагнитного излучения ионами происходит преобразование электромагнитной энергии, большая часть которой затем переходит в тепло за счет диссипации и теплового движения молекул жидкости и ионов. В зависимости от длины волны электромагнитного излучения может происходить поглощение фотонов и возбуждение колебательных и вращательных уровней ионов в жидкости или молекул растворителя. Оба указанных процесса приводят к тому, что изменяется подвижность ионов в жидкости, изменяется дипольный момент макромолекул, что в свою очередь приводит к увеличению тока или появлению эдс.
Не вдаваясь в подробности теории электролитов и жидкости можно отметить, что подвижность ионов в жидкости связана, прежде всего, с массой ионов (теория Ланжевена, которая удовлетворительно описывает подвижность ионов в достаточно плотном газе), температурой, зарядом (формула Эйнштейна для коэффициента диффузии), а также с потенциалом взаимодействия молекул жидкости друг с другом и с содержащимися в ней ионами. Подвижность ионов в растворах при наличии электрического поля зависит от природы иона, температуры, диэлектрической проницаемости, вязкости и концентрации раствора.
В качестве прототипа был выбран аналог фотоэлемента по патенту России 2387041 опубл. 10.01.2010, содержащий менисковую светоантенну для сбора и направления солнечных лучей через отражатель по гибкому световоду через собирающие линзы и меняющиеся светофильтры к катоду, корпус, анод и фотоумножитель, пластины для сбора и вывода электронов в наружную цепь, отличающийся тем, что на поверхности фотоумножителя, обращенной к концентратору, выполнен слой полупроводника, в корпус впаян концентратор, через который солнечные лучи попадают на катод, при этом электроны с катода через фотоумножитель, собирающую пластину и электролитическую среду попадают в наружную цепь. Кроме того, автор (патент России 2387041 опубл. 10.01.2010) предлагает использовать электрохимическую ячейку с электролитической средой, содержащую ионы неорганических солей, в том числе металлов.
Фотоэлемент, предложенный в прототипе, отличается оригинальностью и эффективностью, однако он достаточно сложен в реализации (например, для работы устройства требуется менисковая светоантенна, фотоумножитель со слоем проводника, концентратор) и включает дорогостоящие элементы.
Технической задачей полезной модели является разработка доступного, простого в изготовлении и дешевого фотоэлемента.
Эта задача решается за счет того, что в фотоэлементе, включающем электрохимическую ячейку с электролитической средой, содержащую ионы неорганических солей, в том числе металлов, в качестве основы электролитической среды используют гидратированные посредством воды органические соединения природного или синтетического происхождения, а к ячейке прикрепляют излучатель Вода, посредством которой гидратируются органические соединения, может быть апирогенной, деионизованной, дистиллированной, а также с обедненным или обогащенным изотопным составом. В качестве излучателя может быть использован источник акустических колебаний, магнитного, электрического, а также теплового поля. Например, в качестве источника акустических колебаний может быть использован пьезоэлемент, соединенный с генератором электрических колебаний, в качестве источника магнитного поля - ферромагнетик, как источник электрического поля - сегнетоэлектрик, а теплового поля - нагревательный элемент.
Наиболее эффективно использовать в качестве основы электролитической среды фотоэлемента природные или синтетические макромолекулы с достаточно небольшой степенью гидратации, также можно использовать полимеры. Вязкость веществ, составляющих основу фотоэлемента, может варьироваться в пределах 10-2-104 (Па·с) при температуре 20°С. Подбирая ионный состав фотоэлемента, а также органические соединения, можно изменять диапазон поглощения в достаточно широких пределах: от видимого диапазона до инфракрасной области. Очевидно, что наиболее эффективно фотоэлемент будет работать в сине-зеленой области, т.к. на данную область видимого спектра приходится максимум энергии светового излучения.
Известно, что внешние воздействия различной природы (например, акустическое, переменное и постоянное магнитное или электрическое поле) способны оказывать влияние на вязкость и структурную организацию растворов и жидкостей, поляризацию и конфигурацию макромолекул (Баланкина Е.С., Лященко А.К. О структурной специфике концентрационного изменения скорости звука в водных растворах электролитов // Журнал структурной химии. 2001. Т.42. 1. с.62-68. Бурлакова Е.Б. Особенности действия сверхмалых доз биологически активных веществ и физических факторов низкой интенсивности // Российский химический журнал. 1999. Т.XLIII. 5 с.3-11. Блюменфельд Л.А., Понятие конструкции в биологической физике. К вопросу о механизме действия сверхмалых доз // Российский химический журнал. 1999. Т.XLIII. 5. с.15-20.). Следовательно, применение акустических, магнитных и электрических полей повышает эффективность работы фотоэлемента.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение экономичности особенно при массовом производстве. Фотоэлемент содержит доступные дешевые компоненты и составные части. Наличие излучателя повышает эффективность работы фотоэлемента.
На фиг.1 представлена блок - схема фотоэлемента, на фиг.2 - его вольтамперные характеристики.
Заявляемое устройство (фиг.1) содержит: кювету 1, изготовленную из прозрачного для светового излучения материала, заполненную электролитической средой 2, содержащей гидратированные органические макромолекулы и ионы 3, и выполняющую роль приемника оптического излучения, электроды 4, излучатель 5 - источник акустического, электрического, магнитного или теплового поля, соединительные провода 6 и 7. Кювета 1 с электродами 4 представляет собой ячейку фотоэлемента.
Фотоэлемент может быть реализован, например, следующим образом: в качестве органической основы может быть использован гидратированный коллаген, который помещается в кювету из материала прозрачного в оптической области, например, стекла или пластика. В органическую основу фотоэлемента вносятся ионы металла одного или нескольких и помещаются электроды, с которых снимается фотоэдс или измеряется фототок. Кювета герметично запечатывается. Электроды могут быть медными, вносимые ионы - ионами меди.
В качестве излучателя может быть использован источник магнитного поля. Из соображений эффективности предпочтительней использовать постоянный магнит с индукцией в диапазоне 10-4-10 -1 Тл.
Фотоэлемент работает следующим образом: при попадании на кювету 1 света электролитическая среда 2 поглощает световое излучение и посредством содержащейся в ней ионов 3 и органической составляющей преобразует энергию поглощенного светового излучения в фотоэдс, что приводит к возникновению фототока, который можно измерить на электродах 4. В поле излучателя 5 поглощение и преобразование светового излучения происходит более эффективно чем без него.
При помощи спектрофотометра СФ-103 проводилось измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) заявляемого фотоэлемента. Гидратированный коллаген, обогащенный ионами меди, помещался в тщательно промытую и высушенную кювету, которая находилась в одной из ячеек спектрофотометра. В гидратированный коллаген погружались два электрода, к одному был приложен положительный потенциал источника питания, к другому - отрицательный потенциал. Электроды в каждом проведенном опыте находились на одном и том же фиксированном расстоянии друг от друга. Все это накрывалось, не пропускающей свет крышкой. Кювета с раствором облучалась светом, идущим от монохроматора. Одновременно на электроды подавалось напряжение, величина которого постепенно увеличивалась. Измерялась зависимость величины фототока от приложенного напряжения (фиг.2). Погрешность при измерении фототока составила ±0,1 мА, неточность определения напряжения ±0,3 В. Процентное содержание коллагена составляла 4,5%. На фиг.2 представлены зависимости фототока от напряжения, полученные в результате проведения серии экспериментов: кривая 1 - темновой ток, кривая 2 - фототок. Из графика видно, что величина фототока больше величины темнового тока. Измерения проводились в диапазоне длин волн 400-1100 нм при постоянном значении светового потока.
Заявляемый фотоэлемент просто реализовать, он отличается низкой себестоимостью, не содержит дорогостоящих элементов.
Таким образом, предложенная полезная модель фотоэлемента решает техническую задачу. Для реализации данного фотоэлемента не требуется дорогостоящего, сложного, специализированного оборудования или большого технологического комплекса. Химические соединения, применяемые в настоящей полезной модели, доступны, обладают низкой себестоимостью. Т.Е. решается задача экономичности и доступности фотоэлемента.
1. Фотоэлемент, включающий электрохимическую ячейку с электролитической средой, содержащей ионы неорганических солей, в том числе металлов, отличающийся тем, что в качестве основы электролитической среды используют гидратированные посредством воды органические соединения природного или синтетического происхождения, кроме этого, к ячейке прикреплен излучатель.
2. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что вода, посредством которой гидратируются органические соединения, может быть апирогенной, деионизованной, дистиллированной, а также с обедненным или обогащенным изотопным составом.
3. Фотоэлемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучателя может быть использован источник акустических колебаний магнитного, электрического, а также теплового поля.
4. Фотоэлемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника акустических колебаний может быть использован пьезоэлемент, соединенный с генератором электрических колебаний.
5. Фотоэлемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника магнитного поля может быть использован ферромагнетик.
6. Фотоэлемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника электрического поля может быть использован сегнетоэлектрик.
7. Фотоэлемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве источника теплового поля может быть использован нагревательный элемент.
