Компактные фотоэлектрические преобразователи на основе арсенида галлия способны вырабатывать электричество под действием лазерных лучей. Минимальный размер преобразователей составляет 0,2 мм. Они позволят развить технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния, которая будет работать даже в космосе.
Способ, разработанный учёными Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН поможет не только обеспечить электричеством спутники и другие космические аппараты, но и передавать электричество из космоса на Землю. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале IEEE Electron Device Letters.
Предполагается, что один космический аппарат в системе будет иметь фотоэлектрические преобразователи, а другой аппарат будет посылать на них лазер, и его заряжать. Также энергия сможет передаваться и на Землю.
Сами преобразователи представляют собой тонкий трапециевидный слой толщиной 45 микрометров из сплава алюминия, галлия и мышьяка. Они пропускают через себя лазерное излучение, преломляя его в разных частях волновода по-разному в зависимости от содержания алюминия в сплаве. Это позволяет изменять траекторию лазерного луча с длиной волны 0,85 микрометра (инфракрасная часть спектра).
Луч направляется на фотоактивную часть преобразователя, которая сделана из арсенида галлия. Когда частицы света попадают на арсенид галлия, имеющий области с электронной и дырочной проводимостью, они превращаются в носители заряда, и энергия света преобразовывается в электрический ток. При экспериментах с размерами фотопреобразователя выяснилось, что самым эффективным является размер 0,2–0,75 мм, его эффективность составляет около 45%.
Хотя за рубежом сообщается о преобразователях с эффективностью около 70%, процесс их производства намного более трудоёмкий, а преобразуемая ими плотность мощности падающего лазерного излучения не превышает 30 ватт на квадратный сантиметр. Наша технология проще, и по сравнению с существующими аналогами на основе кремния, полученные нами фотоэлектрические преобразователи оказываются эффективнее на 10%, а преобразуемая ими плотность мощности падающего излучения достигает 10 киловатт на квадратный сантиметр. При этом нужно отметить, что у всех фотопреобразователей, для которых достигнута эффективность около 70%, на фотоприёмной поверхности имеется так называемое просветляющее покрытие, благодаря которому падающий свет лучше поглощается, а потому эффективность преобразователя увеличивается на 20–25 относительных процентов. Мы в данной работе не наносили такое покрытие для чистоты эксперимента и экономии времени. Там, где мы это делали, эффективность достигала 53%.
Владимир Хвостиков, руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН
Учёные планируют получить более сложные сборки из множества отдельных фотоэлементов, чтобы добиться более высокой плотности лазерного излучения и напряжения в десятки вольт, необходимого для более эффективной передачи энергии потребителю.
Россия поручит ИИ проектирование цифровых интегральных микросхем
Решетнёвцы испытали свои новые рефлекторы с мембранными отражателями для космических аппаратов
Увеличат скорость вычислений: в Томске начали разработку ПО для систем охлаждения электроники