Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0054

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0054
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
"Исследование новых технических возможностей для создания экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы"
Докладчик
Папченко Борис Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Наработка базы экспериментальных данных для установления требований к характеристикам, конструкции и методикам изготовления структур нитридов металлов III группы необходимых для разработки технологии создания полупроводникового генератора водорода с повышенной эффективностью.
Актуальность и новизна исследования
Фотоэлектрохимический метод разложения воды находится на начальных стадиях исследования и разработок, он имеет долговременный потенциал производства водорода с минимальным влиянием на окружающую среду. Этот метод представляется наиболее перспективным для использования в системах с повышенными требованиями к автономности и экологической чистоте, поскольку такая система не использует расходуемые элементов, и не приводит к выделению парниковых газов. Кроме того, такая система не требует проведения процесса при высоких значениях параметров среды (при высоких давлениях, температурах), что позволяет снизить затраты на аппаратурное
оформление.
Описание исследования

Настоящий проект направлен на исследование возможности создания экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы. Хлоридно-гидридная газофазная эпитакия (ХГФЭ) используется для выращивания легированных и нелегированных слоев GaN и GAN/InGAN структур, что
в перспективе позволяет снизить издержки технологии (стоимость оборудования и расходных газов) в 3-10 раз по сравнению с методами ГФЭ-МОС и МПЭ. Для увеличения эффективности поглощения солнечного излучения фотоэлектрохимического преобразователя на его поверхности с помощью сухого травления будет формироваться система наноколонок с характерным диаметром 100-200 нм и меньше и высотой 400-1500нм. Расстояние между наноколонками предполагается 100-200 нм.

Результаты исследования

Проведены экспериментальные исследования влияния химического состава электролита на количественный выход молекулярного водорода. Проведены испытания экспериментальных фотоэлектрохимического элемента и генератора водорода, в том числе измерения их технических параметров. Приведено обоснование, выбраны и приобретены материалы и комплектующие для экспериментальных исследований и испытаний. Проведены экспериментальные исследования экспериментальных образцов структур (выращивания одиночных слоев GaN, как нелегированных, так и легированных Si и Mg, а также структур GаN/InGaN на подложках из сапфира и кремния методом хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии). Определены зависимости концентрации доноров в эпитаксиальных слоях n-типа от потока моносилана, зависимости концентрации акцепторов в эпитаксиальных слоях p-типа от потока аргона через источник Mg, зависимости скорости роста эпитаксиального слоя от температуры роста. Значения концентрации доноров и акцепторов при различных потоках моносилана и аргона через источник Mg соответствуют номинальным значениям. Полученные зависимости могут быть использованы для выращивания с высокой воспроизводимостью эпитаксиальных слоев Ga(Al)N, InGaN n- и p-типа с различной концентрацией легирующей примеси. Значения скорости роста эпитаксиального слоя при различных температурах роста соответствуют номинальным значениям. Проведены исследовательские испытания влияния химического состава электролита на количественный выход молекулярного водорода. В ходе исследования сделаны следующие выводы: - энергетически выгодно вести процесс в раствор серной кислоты с концентрацией не менее 0,25 моль/л; - при возрастании температуры на 40 градусов скорость образования водорода возросла на 15 %; 1 - увеличение ионной силы приводит к увеличению к энергозатрат на получение 1 мл H2 Проведены испытания экспериментальных образцов структур, в том числе измерения технических параметров выращиваемых структур для контроля и оптимизации их структурных, оптических и электрических свойств: 70 - измерение шероховатости и плотности дефектов; - измерение кривых качания; - измерение вольт-емкостных (C-V) характеристик; - измерение эффекта Холла; - измерение размеров наноколонок, сформированных на поверхности слоев и структур. Шероховатость поверхности GaN составила менее 2 нм. Плотность дефектов составила менее 109 см-2. Полуширина кривых качания слоев GaN и GaN/InGaN не превысила значения 300 угл. с. Концентрация носителей в слоях GaN составляет 2•1018 см-2, в структуре InGaN/GaN – 2.4•1018 см-2. Во всех измеренных образцах подвижность составляет не менее 200 см2/(В•с). Геометрические размеры наноколонок соответствуют предъявляемым требованиям (диаметр наноколонок – в пределах 100-300 нм, высота наноколонок – в пределах 400-1500 нм). Толщина слоев GaN составляет от 3 до 5 мкм, толщина слоя InGaN – 0.15 мкм, что соответствует требованиям ТЗ. Средняя толщина эпитаксиального слоя, выращенного на подлодке SiC, составила 10.28 мкм с неоднородностью 3.62%. Выполнены испытания экспериментальных образцов ФЭХЭ и генератора водорода согласно программам и методикам. Испытания подтвердили правильность принятых технических решений по его конструкции и показали эффективность генерирования H2 более 25 %. 

Практическая значимость исследования
Водород рассматривается как экологически чистое топливо, не приводящее к образованию парникового газа, которое может
использоваться в двигателях внутреннего сгорания, теплообменниках и генераторных установках различной мощности,
производящих электроэнергию. Результаты ПНИ могут найти свое применение в разработке генератора водорода и
водородного топливного элемента способного в перспективе заменить двигатели внутреннего сгорания и обеспечить подачу
электрической мощности потребителям, как в стационарном, так и в передвижном варианте. Результатом выполнения данной
перспективной ПНИ является появление возможности использования предлагаемой технологии для реализации на ее основе –
и на примере прототипов (макетов) устройств, также являющихся результатом разработки, - экологически чистых и весьма
дешевых способов получения чистого водорода с использованием энергии солнечного света. Массовое использование технологии получения водорода электролизом с использованием ФЭХЭ может привести к дополнительной экономии средств вследствие применения ее в сфере нетрадиционной энергетики, к росту разработок и увеличению вариантов их успешного промышленного применения в области водородной энергетики, даст стимул для реализации новых НИР, ОКР и промышленных приложений в смежных областях (дальнейший прогресс в сфере приложений водородной энергетики, конструирования водородных двигателей, химической отрасли – и т.д.)