Нобелевский лауреат Жорес Алфёров гордился тем, что разработанные под его руководством в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР гетероструктурные солнечные батареи с 1974 года летали на искусственных спутниках Земли, когда американцы лишь публиковали свои первые работы на эту тему. Длительная эксплуатация на орбитальной станции «Мир» окончательно доказала незаменимость этих мини-электростанций в космосе. Но солнцепоклонник Алфёров был убежден, что они должны применяться и на Земле. Тем более что в институте еще в пору директорства академика А.Ф.Иоффе стремились приручить Солнце — неиссякаемый и экологически чистый источник энергии.
В 1930-е годы молодые физтеховцы Борис Коломиец и Юрий Маслаковец создали серно-таллиевый фотоэлемент с рекордным для того времени КПД — 1%. Тогда же было подсчитано, что, покрыв солнечными батареями квадрат земной поверхности 100 на 100 км, можно обеспечить электроэнергией потребности человечества! Технологическая база современной солнечной энергетики была создана в 1954 году — первые фотоэлементы с КПД 6% на основе дешевого и практически неисчерпаемого кремния. Их эффективность росла, сфера применения расширялась — от автономных источников энергоснабжения где-нибудь в глубинке до крупнопанельных солнечных электропарков.
Было ясно, что конкуренцию с ними более дорогие гетероструктурные фотоэлементы не выдержат, если не концентрировать солнечный свет. Сотрудники Жореса Алфёрова (одним из них был его аспирант, участник группы «пионеров гетеропереходирования», лауреатов Ленинской премии 1972 года Вячеслав Андреев) освоили систему концентрации на пластиковых линзах Френеля, изготовленных в Физтехе. Демонстрационную модель из 18 фотоэлементов мощностью 200 ватт установили на крыше института. Подключали к ней электробритву и брились с помощью солнышка. Сейчас подобные модифицированные установки есть на крышах Физтеха и Академического университета РАН.
В начале 1970-х годов на первых советских луноходах были установлены не кремниевые, а арсенид-галлиевые батареи с КПД около 10%. Дело в том, что температура освещенной Солнцем поверхности Луны превышает 130 градусов. Кремний как узкозонный полупроводник при этих температурах малопригоден. Зато пригодились технологии, опять же разработанные в Физтехе. За создание полупроводниковых лазеров на основе арсенида галлия сотрудники института Дмитрий Наследов, Александр Рогачев, Соломон Рывкин, Борис Царенков получили Ленинскую премию в 1964 году.
«Мы начали заниматься солнечными элементами на гетероструктурах лишь после того, как нашли идеальную гетеропару и создали лазер, работавший при комнатной температуре в непрерывном режиме, что сулило переворот в оптоэлектронике. Параллельно вели исследования фотоэлектрических свойств гетеропереходов, а прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию оформилось как самостоятельное направление по созданию силовых приборов примерно в 1970 году. Тогда Жорес Иванович сказал мне: «Слава, это ваше главное дело. Лазерами, светодиодами можете продолжать заниматься, но я буду с вас спрашивать именно по результатам в области солнечной энергетики». Он видел в ней гарантию энергетического благополучия человечества и это видение передал мне», — вспоминает член-корреспондент РАН Вячеслав Михайлович Андреев.
Оппонентам, твердившим, что углеводородных ресурсов планеты хватит еще на многие десятилетия, Алфёров возражал афористично: «Каменный век закончился не из-за дефицита камня. И нефтяной век закончится не из-за дефицита нефти». Эту фразу он услышал и оценил в 2015 году, объявленном ООН Международным годом света и световых технологий, на проводившемся по этому случаю конгрессе в Париже. Ее произнес бывший министр энергетики США Стивен Чу, который, в свою очередь, цитировал министра энергетики Саудовской Аравии, богатейшей нефтяной державы.
Действительно, прогресс человечества обусловлен сменой технологий, а она происходит благодаря внедрению научных разработок. Алфёров полагал, что в середине нашего столетия фотоэлектрическая полупроводниковая энергетика станет преобладать не из-за дефицита нефти. Ныне суммарная мощность солнечных батарей в мире составляет более 1 тераватт (тысяча гигаватт), тогда как установленная мощность всех электростанций России не превышает 250 гигаватт. Причем стоимость одного ватта установленной мощности, полученного на кремниевой солнечной батарее, снизилась за последние полвека в сто раз и составляет около 30 центов.
«В 1970-е годы мы плотно работали с НПО «Квант», головным предприятием по выпуску автономной энергетики, в том числе космических солнечных батарей. Они использовали p-n-переходы на основе арсенида галлия с КПД около 10%, в частности, для питания лунохода, но для нас это было маловато. На подложку из арсенида галлия мы в качестве так называемого широкозонного окна наносили слой твердого раствора алюминий — галлий — мышьяк, превращая гомопереход в гетеропереход, и через несколько лет целенаправленной работы довели КПД до 20%. А сейчас каскадные солнечные элементы дают 40%. В них используются уже три слоя материалов: германий в качестве подложки, арсенид галлия, а сверху более сложная система алюминий — индий — галлий — фосфор», — рассказывает Вячеслав Андреев.
Ветеран Физтеха приводит любопытный эпизод. При проектировании станции «Мир» не предполагалось использовать гетеропереходную фотовольтаику. Но выяснилось, что потребность в электроэнергии на орбите раза в полтора больше, чем могут дать более дешевые кремниевые батареи. И тогда было решено заменить их на арсенид-галлиевые. В течение года все производство арсенида галлия в стране было перенаправлено на космическую отрасль. Наработанного количества хватило, чтобы сделать гетероструктурную солнечную батарею площадью 60 кв. м, которая 15 лет проработала в космосе и проявила высокую радиационную стойкость.
Переходя на должность директора Физтеха, Жорес Алфёров оставил Вячеславу Андрееву как заведующему лабораторией фотоэлектрических преобразователей свой кабинет. Его интерьер и сегодня украшает напоминанием о славном прошлом коллективный портрет участников группы поиска «магического кристалла» — идеальной гетеропары.
В задачи лаборатории по-прежнему входят поддержка производства и улучшение параметров космических солнечных батарей на основе каскадных фотоэлементов. Речь о повышении не только их КПД, но и радиационной стойкости — важно ведь, чтобы батарея в течение 10-15 лет функционировала на орбите, не теряя эффективности. Здесь впервые был проведен цикл работ по специальным оптическим элементам — «брэгговским зеркалам» внутри гетероструктур, повышающим их радиационную стойкость. Сейчас эти зеркала используются во многих космических солнечных батареях.
Исследования воздействия концентрированного солнечного излучения на гетероструктуры — это во многом задел на будущее. Когда космос будут обживать с помощью гигантских обитаемых станций, стоимость материалов для солнечных батарей из больших кремниевых пластин станет критическим фактором, и концентраторные солнечные батареи на гетероструктурах с их высоким КПД окажутся намного дешевле. Понятно, что возможность их применения требует тщательной наземной проверки на лабораторных образцах. Как видим, «соревнование» кремния и гетероструктур за лидерство в фотоэлектрических источниках питания продолжается.
Разрабатываются также технологии передачи света по оптическому каналу, подпитки беспилотников и передачи энергии с одного космического аппарата на другой с помощью лазерного излучения. При этом нужны фотоэлементы, способные эффективно его преобразовать. Достигнутый в лаборатории КПД таких преобразователей составляет 60%, следующий рубеж — 70%. Перспективным для этих целей является излучение с длиной волны 1,06 микрометра, источник которого — мощные твердотельные лазеры, и 850 нанометров в ближней инфракрасной области, его источник — полупроводниковые гетеролазеры. Большинство этих исследований в свое время инициировал и курировал академик Жорес Алфёров.
Так в тематике лаборатории сошлись две главные любви Алфёрова-ученого: лазеры — сердце быстродействующей электроники — и солнечная энергетика, которой он уделял повышенное внимание, какой бы пост ни занимал как организатор науки. Но прежде всего как творец солнечных элементов на основе гетеропереходов для космического и земного применения.
Вячеслав Андреев возглавлял лабораторию фотоэлектрических преобразователей Физтеха до апреля прошлого года. Сейчас он — ее главный научный сотрудник, а заведующим стал выпускник Политехнического университета кандидат физико-математических наук Максим Шварц, который считает честью для себя соавторство с нобелевским лауреатом в написании одной из глав книги о достижениях фотовольтаики для серии «Оптические науки» издательства Springer. Максим Зиновьевич трудится в стенах лаборатории более 30 лет, начиная с подготовки дипломной работы, посвященной методам исследований арсенид-галлиевых солнечных элементов и концентраторных батарей, руководителем которой был не кто иной, как Вячеслав Андреев.
Алфёровская школа действует!
Аркадий Соснов
Фото автора
Нет комментариев