Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0089

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0089
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Мощные фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения с КПД более 60% для систем лучевой энергетики
Докладчик
Хвостиков Владимир Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задача проекта связана с экспериментальными и технологическими исследованиями проблем создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) лазерного излучения (ЛИ) и модулей на их основе. Целью проекта является создание фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения с эффективностью более 60% и модулей ФЭП ЛИ для систем передачи энергии по лазерному лучу.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований определяется необходимостью разработки принципиально новых систем лучевой энергетики, преобразующих мощные потоки ЛИ с целью повышения эффективности энергоснабжения наземных и космических объектов.
Описание исследования

Основным методом получения высокоэффективных полупроводниковых гетероструктур является химическое осаждение из паров металлорганических соединений (МОГФЭ), с применением которого в мировой практике получены многопереходные солнечные элементы с КПД более 40 % и GaAs-преобразователи лазерного излучения (λ=810 нм) с эффективностью выше 50 %. По этой причине в рамках проекта преимущественно использовался метод МОГФЭ, дающий возможность качественного и производительного роста различных по составу, толщине и уровню легирования слоев. Были разработаны базовые технологии осаждения решёточно-согласованных гетероструктур AlGaAs/GaAs, GaInAsP/InP, AlInGaAs/InGaAs и на их основе созданы ФЭП ЛИ с длинами волн λ=809 и λ=1064.

Альтернативным направлением, способным значительно снизить стоимость технологического цикла, является эпитаксия из жидкой фазы (ЖФЭ). В последнее время этот метод несколько ослабил свои позиции в мире из-за невозможности выращивания ультратонких слоев, однако относительная простота структуры ФЭП ЛИ на основе AlGaAs/GaAs возвращает жидкофазной эпитаксии конкурентоспособность в сравнении с МОГФЭ.

Для вывода о целесообразности разработки и создания экспериментальных образцов фотопреобразователей той или иной конструкции, с помощью математического моделирования проводилась оценка достижимых характеристик (в первую очередь – КПД) ФЭП ЛИ в зависимости от следующих параметров:

– мощности оптического излучения;

– распределения облученности на поверхности ФЭП;

– размеров ФЭП ЛИ;

– особенностей структур ФЭП ЛИ;

– характеристик контактных сеток ФЭП ЛИ.

Результаты исследования

Итогом работ по проекту стало создание высокоэффективных преобразователей разного размера (4 мм2 - 4 см2), дизайна и назначения (для преобразования  ЛИ различной мощности), а также методик и средств их тестирования под ксеноновой лампой и непрерывным лазерным излучением.

В частности, получены макеты ФЭП ЛИ (λ = 809 нм) площадью 10.2 мм2 с КПД η=60% (при мощности лазерного излучения Р=0.8 Вт, метод МОГФЭ) и 58.3% (Р=0.9 Вт, ЖФЭ). Указанные результаты (оценка при равномерной засветке) превосходят значения реализованных на практике зарубежных аналогов (η~50-56%). Для ФЭП ЛИ с λ = 809 нм площадью S = 4 см2 максимальные значения КПД составили 57.6% (P=2.1 Вт, МОГФЭ) и 52.8% (P=0.73 Вт, ЖФЭ). Указанные макеты не только соответствуют уровню лучших мировых достижений, но превосходят аналоги по площади (как правило, высокие значения КПД получены для образцов значительно меньших размеров).

Для макетов ФЭП ЛИ c λ=1064 нм на основе AlInGaAs/InGaAs КПД достиг 39.2% при площади чипа 10.2 мм2 и мощности лазера 0.45 Вт (оценка при равномерной засветке) и 36.0% при S = 1 см2 (Р=0.8 Вт). Указанный результат имеет особое практическое значение, т.к. сведения о создании эффективных ФЭП ЛИ с λ ~ 1 мкм в опубликованной литературе не обнаружено.

Для чипов ФЭП ЛИ на основе GaSb, получаемых диффузией цинка из газовой фазы, значения монохроматической (λ=1550 нм) эффективности составили 34.8% при мощности лазерного излучения ~0.6 Вт (= 12.2 мм2).

Главным результатом работ по проекту стало создание экспериментальных образцов модулей ФЭП ЛИ. КПД изготовленного и протестированного при равномерной засветке ксеноновой лампы модуля из четырех ФЭП с λ=809 нм составил 58.0% при мощности ЛИ 1.6 Вт. На текущий момент для модуля ФЭП ЛИ с λ=1064 нм разработана эскизная конструкторская документация, изготовлены детали конструкции, завершается работа над созданием фотоэлементов площадью 1 см2. Каждый из указанных модулей характеризуется минимальным (0.1-0.2 мм) зазором между напаянными элементами и имеет радиатор из дюралюминия для обеспечения пассивного охлаждения.

Практическая значимость исследования
Полученные в рамках проекта результаты могут быть положены в основу опытного производства фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения с λ=809 нм, λ=1064 нм или λ=1550 нм на предприятиях электронной техники, например, НПО "Квант" (Москва), ОАО «Сатурн» (Краснодар), ОАО "Светлана" (Санкт-Петербург). Отечественный рынок ФЭП ЛИ отсутствует, а спрос на них ежегодно увеличивается. Поэтому тиражирование ФЭП ЛИ на производстве представляется актуальной, конкурентоспособной, не пересекающейся по функционалу в России и обещающей быстрый возврат инвестиций задачей. Предложения на внешнем рынке тоже недостаточны: компания “PowerBeam” (США) разрабатывает и изготавливает фотоэлектрические преобразователи для преобразования лазерного излучения только на длине волны 1.5 мкм.
Исследования в области получения метаморфных фотоактивных слоев GaInAs имеют потенциал не только для создания ФЭП ЛИ, но и каскадных солнечных элементов. Эти работы могут обрести свое ближайшее продолжение при разработке тандемного фотоэлемента GaInP/GaInAs/Ge. Работы в этом направлении будут продолжены в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.
Целый ряд частных экспериментальных результатов, касающихся особенностей кристаллизации и легирования эпитаксиальных слоев различного состава, получения контактных, антиотражающих и защитных покрытий, а также темпов деградации преобразователей в условиях повышенных температур и радиационного облучения, может быть использован при разработке солнечных элементов и других оптоэлектронных приборов и устройств.
Разработанные ФЭП ЛИ в составе фотопреобразующих устройств могут найти свое применение в системах беспроводной передачи энергии удаленному потребителю. Такие системы требуются как в быту (для дистанционной зарядки мобильных телефонов, ноутбуков и других электронных приборов) и медицине (для автономных систем поддержания жизнедеятельности человека), так в народно-хозяйственном потреблении (энергоснабжение труднодоступные районов, арктических, островных и океанических исследовательских станций) и военно-космических секторах (передаче ЛИ беспилотным летательным аппаратам или космическим объектам).
Постер

Постер.ppt