Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
эпитаксиальное выращивание, фотоэлектрическое преобразование энергии, кпд, гетероструктуры, технология, лазерное излучение

Цель проекта:
1. 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, 2. Цель проекта - создание высокоэффективных (с КПД более 60%) мощных (до 500 Вт/cм2) 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:
1. Теоретические оценки показывают, что в 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 InGaAs и GaInAsP, в которых возможно достижение КПД ~ 45-55%. При значительном увеличении токовой нагрузки на элемент его площадь должна уменьшаться с целью снижения омических потерь.
2. Результатом проекта является создание макетов и модулей ФЭП, конструкция которых будет адаптирована для работы в паре с источниками лазерного излучения с длиной волны λ=809 нм, 1064 нм и 1550 нм. Итогом работы станет:
- макет ФЭП ЛИ с λ=809 нм с КПД 58-60% (размер ФЭП - 2 см х 2 см)
- макет ФЭП ЛИ с λ=1064 нм с КПД 40-45%;
- макет ФЭП ЛИ с λ=1550 нм с КПД 40%;
- модуль ФЭП ЛИ с λ=809 нм с КПД не менее 50% (размер ФЭП - 2 см х 2 см);
- модуль ФЭП ЛИ с λ=1064 нм с КПД 35-40%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемые с использованием результатов проекта, являются фотоэлектрические преобразователи и модули ФЭП, предназначенные для преобразования лазерного излучения различных длин волн. Указанный продукт будет применяться системах в систем беспроводной передачи энергии, практическая реализация которых необходима как для дальнейшего освоения и использования космоса, так для наземного применения и разрешения техногенных экологических проблем.
2. Сведения о создании ФЭП ЛИ, эффективно преобразующих лазерное излучение с λ ~ 1 мкм, в литературе отсутствуют.
3. Разработанные и изготовленные 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.
4. 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:
1. Области практического применения разработанных ФЭП ЛИ и модулей на их основе связаны с:
• системами дистанционного энергопитания космических аппаратов (при передаче лазерного излучения с Земли, между космическими аппаратами или с космических солнечных батарей на Землю);
• обеспечением электропитания робототехнических устройств и телекоммуникационного оборудования;
• созданием беспроводных источников энергии для повышения уровня городской инфраструктуры (например, подзарядки мобильных телефонов и других автономных устройств в аэропортах, вокзалах, отелях и т.п.);
• созданием на базе разработанных высокоэффективных фотоэлементных гетероструктур СВЧ фотодетекторов мощного импульсного лазерного излучения для фотонных трактов приемно-передающих модулей РЛС и других радиоэлектронных устройств.
2. 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 для повышения уровня городской инфраструктуры и в системах малогабаритной электроники для беспроводной зарядки мобильных телефонов, ноутбуков и других приборов бытовой техники. Они могут быть широко востребованы в современной медицине, разрабатывающей автономные системы, необходимые для поддержания жизнедеятельности человека.
3. Ожидаемые социально-экономические эффекты от использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов заключаются в повышении производительности труда, а также снижении материало- и энергоёмкости производства.
4. Решение в рамках проекта технологических задач позволит создать технологическую основу для организации в России производства высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей космического и наземного применения, которое обеспечит технологическую независимость от зарубежных разработчиков и производителей и создаст высокотехнологичный конкурентный продукт, способный к выходу на международные рынки.

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.
4. Предложена к использованию комплексная модель расчета спектральных и вольт-амперных характеристик ФЭП ЛИ. 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.
5. Создана экспериментальная установка и разработаны программы и методики испытаний образцов ФЭП под непрерывным лазерным излучением. С их использованием проведено тестирование макетов ФЭП ЛИ под засветкой лазером с λ=809 нм и с λ=1064 нм.
6. Проведены испытания существующих макетов ФЭП ЛИ размером 2х2 см для длины волны 809 нм. По результатам тестирования в лабораторных условиях под Хе-лампой при плотности фототока ~1 А/см2 достигнута монохроматическая эффективность преобразования свыше 48%. В условиях засветки лазерным излучением с длиной волны λ=0.809 мкм на фотоэлементе размером 20 мм х 20 мм получена эффективность преобразования ~40.4% при плотности фототока 58 мА/см2.
7. 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).
8. Разработана комплексная математическая модель, ориентированная на структуры из материалов A3B5 и проведено математическое моделирование достижимости указанных в ТЗ характеристик ФЭП лазерного излучения с длинами волн 809, 1064 и 1550 нм.
9. С использованием расчетов по разработанной модели определена целесообразность создания экспериментальных образцов фотопреобразователей разных типов. Проведен анализ характеристик ФЭП в реалистичных внешних условиях для размеров 3х3, 7х7,10х10 и 20х20 мм.
10. Предложена последовательность основных постростовых операций технологического цикла изготовления макетов ФЭП ЛИ. Определены варианты возможных антиотражающих покрытий для преобразователей излучения с длинами волн λ=809 нм, λ=1064 нм и λ=1550 нм, полученных на основе AlGaAs/GaAs, GaInAsP/InP и GaSb. Предложены варианты формирования тыльной и фронтальной металлтизации к указанным структурам, показаны примеры топологии контактной сетки для ФЭП ЛИ разных размеров.
11. Проведены испытания существующих макетов ФЭП ЛИ для λ=1064 нм размером 3.5 х3.5 мм. По результатам тестирования под импульсной засветкой Хе-лампы получена монохроматическая эффективность преобразования 34.5% при мощности излучения ~ 1.01 Вт. КПД под излучением лазера (λ=1064 нм) составил 35.1% при мощности падающего излучения 396 мВт.
12. Разработана методика осаждения и легирования эпитаксиальных слоев GaAs и AlAs методом химического осаждения из паров металлорганических соединений, получена базовая технология роста гетероструктур AlGaAs/GaAs, оптическое поглощение в которых оптимально согласовано с длинной волны лазерного излучения. Разработана технология получения ФЭП ЛИ для λ=809 нм. Созданы и протестированы макетные образцы разных размеров. Для ФЭП ЛИ площадью 4 см2 под излучением импульсной ксеноновой лампы достигнута монохроматическая (809 нм) эффективность преобразования η = 53.5% при токе ~130 мА. Для макетов ФЭП ЛИ размером 3.5х3.5 мм эффективность возрастала до 56.0% (при токе ~520 мА).
13. Для преобразования излучения с длинной волны λ=1064 нм предложен вариант гетероструктуры c p-n-переходом в InGaAs, широкозонным окном p-Iny(Al0.5Ga0.5)1-yAs, тыльным потенциальным барьером и метаморфным буфером переменного состава. Отработаны режимы их получения, созданы опытные образцы ФЭП ЛИ размером 10х10 мм. При тестировании макетов под импульсным имитатором при расчетной мощности лазера 1 Вт достигнут КПД 35.7%.
14. Отработаны режимы монтажа ФЭП ЛИ разных типов на теплоотводящее основание. Получены макеты ФЭП ЛИ в сборке с КПД η = 53.1% (2 см х 2 см) для λ=809 нм и η = 36.0% (1 см х 1 см) для λ=1064 нм.
15. С использованием экспериментальной установки токамак ТУМАН-3М, предназначенной для отработки методов нагрева и оптимизации сценариев удержания высокотемпературной плазмы, проведено исследование изменения характеристик ФЭП ЛИ при их облучении электронами. Полученные данные необходимы для прогнозирования деградации и срока службы ФЭП ЛИ на околоземных орбитах.
16. Разработаны программы и методики испытаний макетных образцов модулей фотоэлектрических преобразователей.