Разработан датчик углекислого газа, работающий на солнечной батарее

Выпускник ФФ НГУ, магистрант Института физики полупроводников СО РАН Карапет Элоян занимается разработкой датчиков углекислого газа на основе свето- и фотодиодов с использованием антимонидов индия и алюминия. Преимущества разработки заключаются в точности измерения и значительной экономии электроэнергии, которую потребляют воздухоочистительные системы — датчики будут работать на солнечных батареях.

Допустимая концентрация углекислого газа в помещении составляет примерно 500–600 ppm (прим. — миллионных частей). В местах скопления людей (больницы, офисы госучреждений, банки и т.д.) уровень СО2 быстро достигает предельной нормы. В больших концентрациях, превышающих 1000 ppm, СО2 становится причиной недомогания людей, выражающегося в сонливости, головных болях, снижении работоспособности.

Карапет Элоян отмечает, что для мониторинга концентрации СО2 успешно используются датчики измерения, работающие на оптическом методе.

Принцип действия оптических датчиков заключается в следующем: прибор с источником излучения (светодиодом) и фотоприёмником (фотодиодом) определяет концентрацию СО2 за счет способности газа поглощать свет в узком спектральном инфракрасном диапазоне с центром полосы в 4,23 мкм. Излучение проходит через объем воздуха, содержащий СО2, часть света поглощается, и концентрация углекислого газа детектируется путем анализа изменения сигнала, полученного фотоприемником.

Исследователь выбрал в качестве источника излучения и фотоприёмника свето/фотодиод на основе p-n перехода AlInSb — электронно-дырочный переход антимонидов (соединений сурьмы с металлами) индия и алюминия. Параметры источника и приемника позволили подобрать ширину запрещенной зоны таким образом, чтобы максимум излучения приходился на участок 4,23 мкм.

Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не могут обладать электроны в полупроводнике

В ходе работы были получены теоретические спектры излучения и фоточувствительность структур на основе AlInSb с помощью программы моделирования процессов рекомбинации.

Экспериментальные расчеты показали, что с учетом корректировки коэффициента поглощения структурами антимонидов индия и алюминия, выбранные источник и фотоприемник подходят для основы создания датчика СО2.

Рекомбинация — исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей с выделением энергии в результате перехода электрона из энергетического состояния в зоне проводимости в незанятое энергетическое состояние в валентной зоне

Преимущества разработки — высокая точность измерения и значительная экономия электроэнергии (датчики будут работать от обычных солнечных батарей).

По словам Карапета Элояна, производство датчиков СО2 в России только зарождается, и этот процесс согласуется с общемировой тенденцией развития «умных» технологий:

— В мире смарт-технологий происходит революционный сдвиг, такой же, когда компьютеры стали доступны для обычного пользователя. Во многих странах реализуют систему «Умный дом», и в ней как раз делается акцент на различного рода датчики.

Карапет Элоян подчеркивает, что производство свето/фотодиодов представляет сложный и дорогостоящий проект, массовое развитие которого возможно при должном финансировании научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении.

Справка: задача разработки датчика углекислого газа была поставлена компанией «Тион Умный микроклимат». Научная работа выполнена под руководством доктора физико-математических наук А. П. Ковчавцева. Результаты исследования были представлены на Международной научной студенческой конференции-2016.