Ученые создали на основе арсенида галлия компактные фотоэлектрические преобразователи — устройства, способные вырабатывать электричество под действием лазерных лучей. Авторы выяснили, что минимальный размер таких преобразователей, при котором они не теряют эффективности, составляет 0,2 миллиметра. Полученные приборы позволят развивать технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния — она упростит электроснабжение космических аппаратов, а также будет востребована в наземных условиях.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале IEEE Electron Device Letters.
Технологии беспроводной передачи энергии с каждым годом становятся все популярнее. Они, например, лежат в основе беспроводных зарядок для телефонов и электромобилей. Кроме того, разрабатывается полностью бесконтактная передача электричества с помощью лазеров, когда между устройством, выполняющим роль зарядки, и заряжаемым прибором расстояние может достигать десятков километров.
Схема беспроводной передачи электроэнергии с помощью лазерных систем. Источник: Владимир Хвостиков.
Такой способ будет полезен для обеспечения электричеством спутников и других космических аппаратов. Так, предполагается, что один аппарат будет посылать лазерный луч на фотоэлектрические преобразователи — устройства, улавливающие лазерные лучи и трансформирующие их в электричество, — другого аппарата и тем самым его заряжать. Однако пока ученым не удавалось получить фотоэлектрические преобразователи, которые были бы одновременно максимально компактными, а потому недорогими из-за низкого расхода материала, эффективными, и преобразующими большие плотности лазерного излучения.
Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) разработали компактный фотоэлектрический преобразователь на основе арсенида галлия — соединения галлия с мышьяком. Конструкция представляла собой тонкий трапециевидный слой толщиной в 45 микрометров (что сопоставимо с диаметром волоса) из сплава алюминия, галлия и мышьяка, который служил волноводом — то есть пропускал через себя лазерное излучение, определенным образом преломляя его.
При этом содержание алюминия в сплаве различалось в разных частях слоя, образуя плавный градиент от соединения с наибольшим количеством этого металла в начале и с наименьшим в конце. Благодаря этому в разных частях волновода свет преломлялся несколько по-разному, что позволило изменять траекторию лазерного луча с длиной волны 0,85 микрометров (инфракрасная часть спектра). Так, луч направлялся на фотоактивную часть преобразователя, которая, в свою очередь, была сделана из арсенида галлия. Когда частицы света попадали на арсенид галлия, имеющий области с электронной и дырочной проводимостью, они превращались в носители заряда. В результате энергия света преобразовывалась в электрический ток.
Различные конструкции фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Источник: Владимир Хвостиков.
Ученые решили выяснить, насколько компактным можно сделать такой фотоэлектрический преобразователь, чтобы он при этом сохранил высокую эффективность. Для этого авторы сконструировали фотопреобразователи разной длины — от 80 до 750 микрометров (0,08–0,75 миллиметра). Оказалось, что эффективность преобразования света в электричество в фотопреобразователях длиной 0,2–0,75 миллиметра практически не отличается и составляет около 45%. Эффективность более коротких фотопреобразователей значительно падает и при длине 80 микрометров не превышает 30%.
Это объясняется тем, что часть лазерных лучей недостаточно сильно преломляется при прохождении через волновод, чтобы попасть в фотоактивную область. В результате они просто «пролетают» сквозь волновод, не попав на фоточувствительный элемент.
Хотя за рубежом сообщается о преобразователях с эффективностью около 70%, процесс их производства намного более трудоемкий, 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 десяти киловатт на квадратный сантиметр. При этом нужно отметить, что у всех фотопреобразователей, для которых достигнута эффективность около 70%, на фотоприемной 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, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН
В дальнейшем авторы планируют получить более сложные сборки из множества отдельных фотоэлементов, чтобы добиться, кроме эффективного преобразования лазерного излучения, высокой плотности, а также напряжения в десятки вольт, необходимого для более эффективной передачи энергии потребителю.
Изображения: пресс-служба Российского научного фонда
Нет комментариев