СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2015 Глухое зеркало Коллектор Фуллереновая мембрана Активная лазерная зона Выходное зеркало Входное окно накачки Концентратор солнечной энергии Солнечное излучение Газовый сепаратор Поток кислорода Поток йодида и её конкурентоспособность по срав- нению с аналогичными системами преобразования солнечной энергии. Выполнен анализ различных вариан- тов генераторов синглетного кисло- рода на основе твёрдофазных фулле- ренсодержащих структур. Проведён цикл экспериментальных исследова- ний процессов преобразования сол- нечной энергии в лазерное излуче- ние с использованием разработанно- го макета фуллерен-кислород-йодного лазера с накачкой имитатором солнеч- ного излучения. Получена генерация в импульсно-периодическом режи- ме работы лазера с частотой 10 Гц со средней выходной мощностью 30 Вт. Достигнут съём энергии лазерной гене- рации с единицы объёма активной сре- ды 9 Дж/л. Ф ОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Лазерное излучение может быть эффективно преобразовано в электро- энергию с помощью фотоэлектри- ческих преобразователей (ФЭП) на основе полупроводниковых гетеро- структур. Области применения тако- го преобразования: беспроводные системы дистанционного энергопи- тания космических аппаратов лазер- ным излучением, передаваемым с Зем- ли, передача энергии между космиче- скими аппаратами и с космических аппаратов на Землю, а также с Земли на дирижабли системы телекоммуни- каций, обеспечение энергопитания труднодоступных объектов. Исходя из особенностей характе- ристик лазерного излучения и огра- ничений на параметры фотоэлектри- ческой системы, основными требова- ниями к ФЭП являются высокий КПД при выбранных длинах волн лазерно- го излучения и возможность эффек- тивной и надёжной работы ФЭП при различных уровнях средней плотно- сти падающего излучения и повышен- ных температурах. Главной проблемой является обеспечение достаточно высо- кой эффективности фотоэлектрическо- го преобразования падающего лазер- ного излучения в широком диапазоне изменения его плотности. В реальном ФЭП на основе GaAs, оптимизированном для умеренной плотности (0,1…1 Вт/см 2 ) лазерного излучения ( λ = 0,8 мкм) получен КПД 40–43%. При увеличении плотности лазерного излучения до 50–70 Вт/см 2 КПД ФЭП вырастает до 45%. Дальней- шее увеличение интенсивности лазер- ного излучения до 200 Вт/см 2 приводит к снижению КПД до 42%. ФЭП на основе AlGaAs/GaAs обе- спечивают эффективность преоб- разования лазерного излучения (на λ = 1,08 мкм) более 40% в широ- ком диапазоне плотности мощности (0,1…200 Вт/см 2 ). Увеличение КПД до 50–55% может быть достигнуто за счёт снижения оптических и омиче- ских потерь, а также за счёт смещения длины волны лазерного излучения до 0,85 мкм. В таблице 2 представлены оценки КПД преобразования энергии излучения в электричество при опти- мальной плотности падающего излуче- ния 100 Вт/см 2 для трёх типов лазеров. Тонкоплёночные ФЭП на основе арсенида галлия, разрабатываемые в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, позволяют сохранить высокий КПД при умень- шении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм. В результате более чем на порядок снижается рас- Таблица 1. Характеристики волоконных непрерывных лазеров на иттербии ( Δλ = 1,05–1,08 мкм) Параметр Данные Выходная мощность, кВт до 100 Возможность модуляции излучения на частоте, кГц 5 КПД, % до 30 Канализация излучения по волокну диаметром, мкм 200 Длина волоконного световода, м до 300 Качество пучка, мрад 2,5 × 6 Срок службы не менее, ч 100 000 Габариты 10-киловаттного модуля, м 0,86 × 0,81 × 1,50 Масса 100-киловаттного модуля, кг 1000 Рис. 4. Схема фуллерен-кислородно-йодного лазера с солнечной накачкой Таблица 2. Оценка КПД преобразования энергии лазерного излучения Тип лазера Длина волны, мкм КПД лазера, % Материал приёмника КПД преобразования лазерного излучения в электричество, % Суммарный КПД, % Кристаллические лазеры 1,03; 1,06 18…20 GaSb 36 6,5…7,2 InGaAs 45 8,1…9 Волоконные лазеры 1,07 (Yb) 28…30 InGaAs 45 12,6…13,5 1,55 (Er) 15…20 GaSb 54 8,1…10,8 Лазеры на парах щелочных металлов 0,77 (K) 30…35 AlGaAs 64 18…22 0,795 (Rb) AlGaAs 62 0,895 (Cs) InGaAs 60 InР