Регистрация / Вход
Прислать материал

Мощные фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения с КПД более 60% для систем лучевой энергетики

Докладчик: Потапович Наталия Станиславовна

Должность:  научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

Цель проекта:
Задача проекта - экспериментальные и технологические исследования проблем создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) лазерного излучения (ЛИ) и модулей на их основе, преобразующих излучение с длинами волн λ=809 нм, 1064 нм и 1550 нм. Цель проекта - создание высокоэффективных (с КПД более 60%) мощных (до 500 Вт/cм^2) фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения и модулей на их основе для систем передачи энергии по лазерному лучу в диапазоне длин волн 0.78 – 1.68 мкм.

Основные планируемые результаты проекта:
Анализ литературных данных и теоретические оценки показывают, что в фотоэлектрических преобразователях лазерного излучения (ФЭП ЛИ) на основе гетороструктур AlGaAs/GaAs возможно достижение преобразование лазерного излучения (λ=809 нм) с эффективностью ~ 65%. КПД преобразования 70 и 80% соответствует идеализированным системам с нулевыми оптическими и омическими потерями и не достижим на практике. Для преобразования лазерного излучения с λ=1064 нм перспективными являются ФЭП ЛИ на основе GaInAsP, в которых возможно достижение КПД ~ 45-55%. При значительном увеличении токовой нагрузки на элемент его площадь должна уменьшаться с целью снижения омических потерь.

По проекту запланировано:
- создание макетов ФЭП ЛИ с λ=809 нм с КПД 58-60% (размер ФЭП - 2 см х 2 см);
- создание макетов ФЭП ЛИ с λ=1064 нм с КПД 40-45%;
- создание макетов ФЭП ЛИ с λ=1550 нм с КПД 40%;
- создание модулей ФЭП ЛИ с λ=809 нм с КПД не менее 50% (размер ФЭП - 2 см х 2 см);
- создание модулей ФЭП ЛИ с λ=1064 нм с КПД 35-40%.

Cведения о создании ФЭП ЛИ, эффективно преобразующих лазерное излучение с λ ~ 1 мкм, в литературе отсутствуют.

ФЭП ЛИ с КПД ~50-55% при λ ~ 0.809мкм будут соответствовать лучшим зарубежным аналогам. Достижение эффективности ~58-60% превышает уровень современных мировых разработок. Аналогов ФЭП ЛИ с λ ~ 1 мкм в открытой печати не обнаружено.

Указанные результаты будут достигнуты за счет выполнения следующих видов работ:
- выбора наиболее перспективных материалов А3В5 для разработки фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения с длинами волн λ=809 нм, 1064 нм и 1550 нм. (В качестве технологических методов создания решеточно-согласованных структур будут использованы эпитаксия из паров металл-органических соединений и жидкофазная эпитаксия);
- экспериментально-теоретических подходов по определению наиболее перспективных конструкций ФЭП ЛИ;
- исследования влияния геометрии прибора, уровней легирования, толщин и составов слоев полупроводниковой структуры на эффективность фотоэлектрического преобразователя;
- разработки воспроизводимых постростовых технологических операций создания ФЭП ЛИ (включая выбор антиотражающих покрытий и контактных композиций, а также способов формирования низкоомных и стабильных к тепловым нагрузкам контактов);
- создания программ и методик испытаний изготовленных фотоэлектрических преобразователей;
- тестирования имеющихся макетов и вновь разработанных высокоэффективных ФЭП ЛИ как в лабораторных условиях, так и непосредственно под излучением лазера;
- отработка монтажа и способов соединения фотоэлектрических преобразователей в сборки, разработка модулей ФЭП для преобразования лазерного излучения различной плотности;
- проведения исследовательских испытаний разработанных и изготовленных модулей ФЭП ЛИ.

По окончании проекта будут выработаны итоговые предложения по коммерциализации полученных результатов.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Практическая реализация систем беспроводной передачи энергии необходима как для дальнейшего освоения и использования космоса, так для наземного применения и разрешения техногенных экологических проблем.
Преобразование лазерного излучения в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводниковых гетероструктур может быть реализовано в системах дистанционного энергопитания космических аппаратов небольшого размера, которые нерационально снабжать большими по площади солнечными батареями. Системы беспроводной передачи энергии будут востребованы и для решения энергетических задач в наземных условиях, например, в качестве альтернативы дорогостоящим линиям электропередач, использующим медные кабели и провода. Кроме того, такие фотоэлектрические преобразователи могут найти применение в системах малогабаритной электроники для беспроводной зарядки мобильных телефонов, ноутбуков и других приборов бытовой техники, а также в современной медицине, разрабатывающей автономные системы, необходимые для поддержания жизнедеятельности человека.
Другой важной задачей, которая может быть успешно решена только при условии создания высокоэффективных фотоэлементных структур, является задача разработки и создания высокоэффективных СВЧ фотоприемников мощного импульсного лазерного излучения.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен анализ научно-технической литературы и составлен аналитический обзор состояния разработок в области технологии изготовления преобразователей лазерного излучения для различного спектрального диапазона.
2. Проведены патентные исследования в области получения фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения.
3. Определены основные направления работ по получению высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения на основе соединений А3В5. Показано, что
- ФЭП ЛИ с λ=0.809 мкм и модули на их основе с заданными в ТЗ характеристиками могут быть изготовлены на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs. При этом возможно два пути решения поставленной задачи: перенос технологии солнечных элементов под задачи проекта и разработка новых структур с р-n-переходом в AlхGa1-хAs с содержанием алюминия х=0.07-0.08. Первый вариант позволит решить задачу изготовления высокоэффективных ФЭП ЛИ в наиболее короткие сроки, второй – с более высоким конечным результатом;
- твердые растворы GaInAsP/InP с содержанием индия х~0.15-0.20 и мышьяка у~0.25-0.40 находятся вне контура нестабильности и применимы для получения гетероструктур, согласованные по периоду решетки с InP. Фотоэлектрических преобразователей на их основе будут иметь запрещенную зону Eg~1.1-1.17 эВ и могут эффективно использоваться при преобразовании ЛИ с λ=1.064 мкм;
- возможный вариант преобразователя излучения с λ=1064 нм – фотоприемник на основе GaInAs/GaAs-гетероструктур с содержанием галлия ~70-80%;
- ФЭП ЛИ на основе GaSb могут преобразовывать монохроматическое излучение с λ=1.55 мкм. При этом диффузия цинка из газовой фазы в материал подложки позволяет получать полупроводниковые структуры высокого кристаллического совершенства без дополнительного наращивания буферных слоев или формирования эпитаксиального p-n-перехода.
4. Предложена к использованию комплексная модель расчета спектральных и вольт-амперных характеристик ФЭП ЛИ, позволяющая:
- при распространении лазерного излучения в полупроводниковой структуре ФЭП учитывать поглощение излучения в объемных и наноразмерных слоях, отражение лазерного излучения от гетерограниц и возникающие при этом интерференционные явления;
- при оценке механизмов переноса носителей и генерации фототока учитывать уровни легирования фотоактивных слоев, встроенные поля, диффузионный и дрейфовый механизмы протекания тока, включая особенности генерации излучения в непрерывном и квазинепрерывном режиме (импульсном, с высокой частотой повторения);
– при формировании электрической эквивалентной схемы ФЭП, принимать во внимание особенности ВАХ p-n-перехода ФЭП, вклады различных слоев и контактной сетки в последовательное сопротивление.
5. Определен комплекс измерительных методик для исследования спектральных и вольт-амперных характеристик полупроводниковых фотопреобразователей лазерного излучения. Обоснована целесообразность использования импульсного источника излучения при измерении ВАХ фотопреобразователей, что позволяет в достаточно широких пределах (вплоть до 1 кВт/см2) варьировать освещенность и исследовать влияние внутренних омических потерь на КПД преобразователя при различных уровнях генерируемого фототока.
6. С использованием существующей технологии выращивания солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs в ФТИ им. А.Ф.Иоффе изготовлен фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения с длиной волны λ=0.809 мкм размером 20 мм х 20 мм. По результатам тестирования в лабораторных условиях под Хе-лампой при плотности фототока ~1 А/см2 достигнута монохроматическая эффективность преобразования свыше 48%.
7. Проведены испытания макетов ФЭП ЛИ, изготовленных в ФТИ им.А.Ф.Иоффе. В условиях засветки лазерным излучением с длиной волны λ=0.809 мкм на преобразователе размером 20 мм х 20 мм получена эффективность преобразования ~ 40.4% при плотности фототока 58 мА/см^2.
8. Разработана технология изготовления линз Френеля из силиконовой резины для концентрированного маломощного лазерного излучения в условиях космического пространства. Включение концентраторов в конструкцию фотоэлектрического модуля позволяет уменьшить площадь ФЭП пропорционально кратности концентрирования ЛИ. Обоснован выбор основных конструктивных элементов модуля (защитная прозрачная пластина, концентратор, скоммутированные на теплоотводящем основании фотоэлектрические преобразователи).