СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 Ещё одно требование – минимизация стоимости единицы вырабатываемой электрической мощности ($/Вт) – может быть удовлетворено лишь при выполне- нии всех предыдущих требований, орга- низации массового автоматизирован- ного производства СЭ и СБ космиче- ского назначения и конверсионного использования разработанных техно- логий при создании систем наземной коммерческой солнечной энергетики. С ОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО КОСМИЧЕСКИМ СЭ И СБ На протяжении более сорока лет лидирующее положение в космиче- ской солнечной энергетике занимали кремниевые СЭ и СБ, которые обеспе- чили выполнение подавляющего боль- шинства космических программ во всём мире. Однако в настоящее время достигнуты практически предельные показатели их энергетической эффек- тивности при массовом промышлен- ном производстве: КПД СЭ 14–16% (АМ0, 28 о С), плотность мощности СБ 150…175 Вт/м 2 и удельная мощность 50…70 Вт/кг. Такие показатели явно не соответствуют требованиям к парамет- рам СБ нового поколения. Это означа- ет, что кремниевые СБ должны быть заменены батареями на основе более эффективных каскадных СЭ. Основными разработчиками и про- изводителями каскадных солнечных элементов для космических бата- рей в мире являются: Spectrolab Inc. (www.spectrolab.com ), Emcore (www. emcore.com) , AZUR Space Solar power GmbH (www.azurspace.com) . Максимальные достигнутые значе- ния КПД космических СЭ этих произво- дителей составляют 29–30% при осве- щении прямым солнечным излучени- ем с нулевой воздушной массой (АМ0), т.е. в условиях околоземного космиче- ского пространства. В России производителями косми- ческих солнечных батарей являются: ОАО НПП «Квант» (www.npp-kvant.ru ) и ОАО «Сатурн» (www.saturn.kuban.ru ). Однако существующий объём производ- ства отечественных гетероструктурных солнечных элементов не обеспечива- ет потребности страны в космических СБ. По этой причине российские кос- мические батареи оснащаются в основ- ном каскадными СЭ зарубежного про- изводства. Повышение КПД каскадных СЭ и создание отечественного крупно- масштабного производства высокоэф- фективных, радиационностойких кос- мических батарей на их основе является чрезвычайно важным для выполнения Федеральной космической программы. Впервые гетероструктурные AlGaAs/ GaAs фотоэлементы были созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН под руковод- ствомЖ.И. Алфёрова [1–7]. C использо- ванием этой технологии в НПО «Квант» (Москва) было организовано крупно- масштабное производство гетеро- структурных СБ. Одна из таких бата- рей площадью 70 м 2 была установлена в 1986 году на базовом модуле косми- ческой станции «Мир» и проработала там весь срок эксплуатации без замет- ного снижения мощности (см. рис. 6). В последние годы в ФТИ достигнуто значительное увеличение КПД в каскад- ных гетероструктурных ФЭП за счёт «расщепления» солнечного излучения на несколько спектральных интервалов и осуществления более эффективного преобразования энергии фотонов каж- дого из этих интервалов в определён- ной части полупроводниковой струк- туры. Трёхкаскадные ФЭП включа- ют в себя три фотоактивные области, выполненные из трёх полупроводни- ков GaInP/GaAs/Ge с шириной запре- щённой зоны, уменьшающейся от фронтальной освещаемой поверхно- сти ФЭП (см. рис. 7). Коротковолновая часть солнечного излучения преобра- зуется в GaInP-области, средневолновая часть – в GaAs-области и инфракрасная часть – в Ge-области. Для космических применений созда- ны каскадные СЭ Ge/GaAs/GaInP, в кото- рых достигнуты значения КПД, превы- шающие 30% для внеатмосферного сол- нечного излучения (АМ0). На основе разработанных каскадных ФЭП и кон- центраторов (линз Френеля) созданы космические концентраторные модули, обеспечивающие повышение удельного энергосъёма и снижение стоимости СБ. М ОДУЛИ СБ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ И КАСКАДНЫМИ СЭ При концентрировании солнечное излучение перехватывается линзойили зеркалом и фокусируется на СЭ малого размера, который вырабатывает прак- тически такую же электрическую мощ- ность, как планарный СЭ, равный пло- щади концентратора. В этом случае производственные возможности каж- дой установкиМОС-гидридной эпитак- сии по обеспечению потребляемых КА мощностей увеличиваются на один-два порядка, в зависимостиот степени кон- центрирования солнечного излучения, которая для космическихСБ будет нахо- диться в диапазоне 10…100 крат. Вчаст- ности, если производительность одной установкиоколо 100м 2 /год, то даже при кратности концентрирования равной10 эта установка обеспечит производство многопереходных СЭ для СБ с кон- центраторами (СБК) площадью около 1000 м 2 /год. Это означает, что при плот- ности мощности СБК 300 Вт/м 2 такая установка МОС-гидридной эпитак- сии позволит создать космические СБ общей мощностьюне менее 300 кВт/год. При более высоких уровнях концентри- рования солнечного излучения эта циф- ра пропорционально возрастёт. Солнечное излучение Снижение оптических потерь: антиотражающее покрытие Снижение «контактных» потерь Снижение «поверхностных» рекомбинационных потерь Согласование параметров решётки и применение наноразмерных слоёв Согласование фототоков Преобразование коротковолновой части (400...670 нм) солнечного спектра 20 нм n -AlInP «окно» n -InGaP «окно» р -GaAs база р -InGaP BSF n -Ge эмиттер р -Ge база n -GaAs эмиттер р -InGaP база р -AlInP BSF n -InGaPэмиттер Преобразование «среднего» участка (670...900 нм) солнечного спектра Преобразование ИК-части (900...1650 нм) солнечного спектра Снижение потерь на межсоединения благодаря использованию туннельных р-n -переходов Снижение объёмных рекомбинационных потерь: потенциальные барьеры для локализации носителей заряда и брэгговские зеркала для отражения фотонов в активные области Гетероструктурные ФЭП, 70м 2 Рис. 6. Космическая станция «Мир» с гетероструктурной AlGaAs/GaAs СБ, установленной на базовом модуле Рис. 7. Гетероструктурный каскадный СЭ