СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 Мощные фотоэлектрические преобразователи монохроматического и концентрированного солнечного излучения Фотоэлектрические преобразователи на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур обеспечивают рекордные значения КПД более 56% при длине волны 0,82 ... 0,85 мкм и плотности мощности лазерного излучения до 100 Вт/см 2 . Каскадные солнечные элементы на основе гетероструктур GaInP/GaAs/Ge имеют КПД более 30% при концентрированном до 100 крат солнечном излучении в условиях околоземного космического пространства. На основе каскадных солнечных элементов и линз Френеля созданы концентраторные модули для космических солнечных батарей. Результат их применения – уменьшение площади и стоимости солнечных элементов, улучшение радиационной защиты. Вячеслав Андреев (Санкт-Петербург) В ВЕДЕНИЕ Передача энергии по лазерному лучу актуальна для систем дистанционно- го энергопитания космических аппа- ратов лазерным излучением, переда- ваемым с Земли, а также при передаче лазерной энергии между космически- ми аппаратами и с космических сол- нечных батарей на Землю. Главной проблемой фотоэлектрического пре- образования лазерной энергии явля- ется обеспечение достаточно высокой эффективности преобразования при оптической мощности в диапазоне 0,1…100 Вт/см 2 . Основными материа- лами для фотоэлектрических преобра- зователей (ФЭП) излучения полупро- водниковых лазеров являются: GaAs/ AlGaAs-гетероструктуры с шириной запрещённой зоны активной области 1,42…1,8 эВ для излучения с длиной волны λ = 0,4…0,9 мкм; InGaAs, анти- монид галлия (GaSb) и гетерострук- туры AlGaAsSb/GaSb, InGaAsP/InP с шириной запрещённой зоны фото- активной области 0,7…1,2 эВ для излу- чения с λ = 0,9…1,7 мкм. Теоретические оценки показывают, что ФЭП на осно- ве этих материалов могут обеспечить преобразование лазерного излучения с КПД 50–65%. Повышение требований к борто- вым системам космических аппара- тов приводит к необходимости созда- ния солнечных батарей (СБ), обладаю- щих более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристи- ками с увеличенным ресурсом рабо- ты. Для создания СБ наиболее перспек- тивными являются каскадные солнеч- ные элементы (СЭ) из арсенида галлия и родственных ему соединений А 3 В 5 . За последние 4 десятилетия накоплен большой опыт разработок [1–11] и экс- плуатации космических солнечных элементов и батарей на основе AlGaAs/ GaAs, AlGaInP/GaAs/Ge и других гете- роструктур. Показано, что эти СБ обе- спечивают увеличение КПД, удельно- го энергосъёма и радиационной стой- кости по сравнению с кремниевыми батареями. Это достигается за счёт уменьшения толщины широкозонно- го «окна» до нескольких сот ангстрем, улучшения параметров материала активной области, создания тыльных потенциальных барьеров и встроен- ных полей, создания встроенного брэг- говского зеркала. В каскадных СЭ, выполненных на основе нескольких последовательно соединённых p-n -переходов в мате- риалах с различной шириной запре- щённой зоны, обеспечено существен- ное увеличение КПД до значений более 30% в условиях околоземного космоса (нулевая атмосферная масса – АМ0). При этом наибольшее применение получили СЭ на основе гетероструктур с тремя p-n -переходами: германий и арсе- нид галлия в качестве материалов узко- зонных элементов и твёрдые растворы GaInP в качестве материала широкозон- ного элемента. Несмотря на большую стоимость каскадных СЭ по сравнению с кремниевыми, их использование обе- спечивает приблизительно 2-кратное снижение суммарных затрат, благода- ря увеличению удельного энергосъёма, уменьшению размеров и веса СБ, уве- личению ресурса работы СБ и сниже- ниюрасхода топлива на доставку СБ на орбиту, ориентацию и стабилизацию космического аппарата (КА). Для достижения наивысших зна- чений КПД в таких ФЭП при количе- стве слоёв более 30, толщины ряда сло- ёв должны составлять 10…100 нм, что необходимо для снижения рекомбина- ционных и оптических потерь. Даль- нейшие перспективы увеличения КПД связываются с разработкой 4- и 5-пере- ходных каскадных СЭ, а также с исполь- зованием гетероструктур с квантовы- ми ямами и точками. Получение таких СЭ возможно только с применени- ем высокопроизводительных преци- зионных технологических установок МОС-гидридной и молекулярной эпи- таксии и современных постростовых технологий. Чрезвычайно важным преимуще- ством гетероструктурных СЭ на осно- ве А 3 В 5 соединений является их способ- ность эффективно преобразовывать более чем 100-кратно концентрирован- ное солнечное излучение. Это позво- ляет снизить расход полупроводни- ковых материалов пропорционально степени концентрирования и, следова- тельно, существенно снизить стоимость «солнечной» электроэнергии. Дополни- тельными преимуществами при пере- ходе к концентраторным СБ в космо- се являются: ● возможность организации защиты ФЭП элементами конструкции кон- центрирующей системы от ионизи- рующих излучений; ● возможность осуществления терми- ческого фотонного и инжекционно- го отжига радиационных дефектов. ФЭП ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Основными требованиями к ФЭП лазерного излучения являются: ● высокий КПД при выбранных длинах волн лазерного излучения; ● эффективная и надёжная работа ФЭП при высокой плотности излучения и повышенных температурах; ● эффективный отвод тепла от ФЭП без существенного увеличения массы;