Вклад ФТИ им. в исследования и разработки космических солнечных батарей
Производство солнечных батарей для космических аппаратов в России во многом опирается на результаты работ сотрудников ФТИ им. , начиная с технологии фотодиодов с p-n переходами в германии и кремнии (середина 1950-х гг.) и до сегодняшнего дня, когда в основе большинства отечественных солнечных батарей лежат каскадные фотопреобразователи на основе гетероструктур. За это время КПД солнечных элементов вырос с 8 до 30% и больше, а разработанные в последние годы перспективные технологии солнечных элементов на основе каскадных квантово-размерных гетероструктур позволяют достичь 34-36% при концентрированном солнечном излучении. Данные технологии уже переданы предприятиям-производителям солнечных батарей для организации производства космических солнечных батарей нового поколения.
Солнечные батареи на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП или устройства, которые преобразуют энергию фотонов в электрический ток) — основной источник энергопитания космических аппаратов сегодня, и в ближайшие десятилетия «околосолнечная» космическая энергетика будет основана преимущественно на полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях. Совершенствование технологий космических солнечных батарей остается чрезвычайно важным для успеха программ исследований космоса, развития спутниковой связи и обороноспособности страны.
Подавляющее большинство космических аппаратов оснащаются солнечными батареями, и объем потребляемой ими энергии постоянно растет. Соответственно, повышаются требования к характеристикам солнечных батарей: КПД и сроку службы. На данный момент наилучшие показатели демонстрирует передовая технология каскадных фотоэлектрических преобразователей из арсенида галлия и родственных ему полупроводниковых соединений.
Интересно, что сам фотоэлектрический эффект был открыт почти 200 лет назад в 1839 г. французским ученым Александром Беккерелем, а первые эксперименты с твердотельными фотоэлектрическими элементами на основе селена были выполнены и в Лондоне в 1876 г. Но более полувека понадобилось для того, чтобы появились первые солнечные фотоэлементы с эффективностью, превышающей 1%, — ими стали разработанные в 1938 г. в Физико-техническом институте серно-таллиевые фотоэлементы ( и ). Исследования выполнялись под руководством , который в 1938 г. впервые сформулировал и внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Однако для старта солнечной фотоэлектрической энергетики требовалась существенно большая эффективность. Важным шагом для этого стало создание в 1954 г. в США кремниевых солнечных элементов с p-n переходом, имевших КПД около 6%.
Научной базой для создания отечественных солнечных батарей стала разработка учеными ФТИ технологии фотодиодов с p-n переходами в германии (, , 1955 г.) и кремнии (, В. Е, Челноков, 1957 г.). В кремниевых солнечных элементах был достигнут КПД = 8%. Повышение радиационной стойкости кремниевых батарей было обеспечено благодаря переходу от фотоэлементов p/n типа (на базе кремния n-типа) к фотоэлементам n/p типа, созданным на основе более радиационно-стойкого кремния p-типа. Солнечные батареи на основе таких радиационно-стойких фотоэлементов начали производиться в НПО «Квант» и получили широкое применение на советских спутниках уже с самых первых аппаратов — с 1958 г. При этом на спутниках США такие радиационно-стойкие фотопреобразователи начали устанавливаться только с 1961 г.
В дополнение к «классическим» полупроводниковым материалам: германию и кремнию, с 1950 г. в ФТИ начался синтез материалов типа А3В5 () на основе элементов из третьей и пятой группы периодической системы. В конце 1950-х годов в ФТИ были созданы и первые фотоэлементы на основе арсенида галлия (, ), имеющие значительно лучшую температурную стабильность параметров по сравнению с кремниевыми фотоэлементами. Последующие разработки технологии фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии из арсенида галлия, выполненные в ФТИ, позволили организовать их производство в НПО «Квант».
Арсенид-галлиевая солнечная батарея снабжала электроэнергией советскую межпланетную станцию «Венера-4» (1967 г.), работавшую в окрестностях «горячей» планеты Венера, и самоходные аппараты “Луноход-1” (1970 г.) и “Луноход-2” (1973 г.). Хотя рабочая температура солнечных батарей на поверхности Луны достигала 150ºС, арсенид-галлиевые батареи обеспечили достаточно высокую удельную мощность — до 100 Вт/м2.
Новую страницу в космической солнечной фотоэнергетике открыли солнечные элементы на основе AlGaAs-GaAs гетероструктур (, , 1969 год), созданные в ФТИ впервые в мире. В гетероструктурах р-AlGaAs (тонкое широкозонное окно) – (p-n)GaAs (фотоактивная область) удалось формировать бездефектную гетерограницу и обеспечивать идеальные условия для фотогенерации электронно-дырочных пар и их собирания p-n переходом. Были созданы солнечные гетерофотоэлементы с КПД = 17-19%, заметно превышающим КПД кремниевых элементов. Производство гетероструктурных фотоэлементов был организовано в НПО «Квант». Поскольку гетерофотоэлементы оказались еще и более радиационно-стойкими, то они быстро нашли применение в космической энергетике: в 1986 г. командный модуль советской орбитальной станции «Мир» был оснащен гетероструктурной солнечной батареей площадью 70 м2, изготовленной в НПО «Квант», и это стало примером масштабного энергетического использования AlGaAs/GaAs солнечных батарей.
Дальнейший прогресс в космической солнечной фотоэнергетике связан с разработкой более эффективных и радиационно-стойких каскадных солнечных элементов. Увеличение КПД в каскадных фотопреобразователях достигается за счет «расщепления» солнечного излучения на несколько спектральных интервалов и более эффективного преобразования энергии фотонов каждого из этих интервалов в различных материалах (с разной шириной запрещенной зоны).
Трехкаскадные фотопреобразователи включают в себя три фотоактивные области, выполненные из трех полупроводников GaInP/GaAs/Ge с шириной запрещенной зоны, уменьшающейся по ходу солнечных лучей от фронтальной освещаемой поверхности фотопреобразователя. Коротковолновая часть солнечного излучения преобразуется в GaInP-области, средневолновая часть — в GaAs-области и инфракрасная часть — в Ge-области, что обеспечивает увеличение КПД преобразования «наземного» и космического солнечного излучения.
ФТИ им. внес важный вклад в разработки и практическое использование каскадных фотопреобразователей и солнечных фотоэнергосистем на их основе. Так, широко используемые в каскадных фотопреобразователях GaInP(As)/GaAs гетероструктуры впервые в мире были созданы в ФТИ методом жидкофазной эпитаксии в 1973 г. (, , ).
В последние годы с использованием метода металлоорганической эпитаксии из газовой фазы разработаны и изготовлены каскадные солнечные элементы с КПД более 30%, соответствующие мировому уровню. Разработанная в ФТИ технология каскадных GaInP/GaAs/Ge фотопреобразователей была внедрена в ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) при организации серийного производства инновационных солнечных батарей космического назначения. Несмотря на большую исходную стоимость, такие батареи позволяют примерно в два раза снизить суммарные затраты на запуск и эксплуатацию космических аппаратов, что достигается благодаря увеличению в два раза удельного энергосъема и уменьшению размеров батарей, а также увеличению ресурса и снижению расхода топлива на доставку батарей на орбиту, ориентацию и стабилизацию аппарата в космическом пространстве.
В последние годы в ФТИ разработаны перспективные технологии солнечных элементов на основе каскадных квантово-размерных гетероструктур (с квантовыми ямами и квантовыми точками, сверхрешетками и Брегговскими зеркалами), обеспечивающие в условиях околоземного космического пространства увеличение КПД до 34-36% при концентрировании излучения солнца до 10-100 крат в широком диапазоне температур от +25 до -50°С. Созданы фотоэлектрические модули с концентраторами солнечного излучения, обеспечивающие увеличение удельного энергосъема и радиационной стойкости космических батарей на основе фотоэлементов нового поколения. Данные технологии переданы в АО «ИСС» им. акад. и в АО «НПП «Квант» для организации производства космических солнечных батарей нового поколения.
Кроме этого, разработки ФТИ в области космических батарей нашли широкое применение и в наземной солнечной фотоэнергетике. Были созданы высокоэффективные солнечные фотоэнергоустановки на основе каскадных солнечных элементов с КПД более 40% (в наземных условиях), концентраторов (до 1000 крат) солнечного излучения и прецизионных систем слежения за Солнцем, основными преимуществами которых — снижение расхода полупроводниковых материалов для фотоэлементов в 1000 раз (пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения), увеличение в два раза (в сравнении с солнечными элементами на основе кристаллического кремния) количества электроэнергии, вырабатываемой концентраторными солнечными модулями с единицы площади за счет большей эффективности и слежения за Солнцем.
Зав. лабораторией фотоэлектрических преобразователей ФТИ им.
д. т.н., профессор Вячеслав Михайлович Андреев
Рис. 1. Пути увеличения эффективности каскадного солнечного элемента
Рис. 2. Космическая солнечная батарея (~ 10 м2) на основе каскадных фотопреобразователей, изготовленных на оборудовании ОАО «Сатурн» по технологии, разработанной в ФТИ им. РАН
