News image News image News image News image News image News image News image News image


Космические каскады. Трехкаскадные арсенид-галиевые фотоэлектрические преобразователи
Нанотехнологии как наука - Нанотехнологии в космонавтике

космические каскады. трехкаскадные арсенид-галиевые фотоэлектрические преобразователи

В космических аппаратах применяют два вида солнечных батарей – кремниевые и арсенид-галлиевые на германиевой подложке. Первые производить дешевле и проще, поэтому они занимают подавляющую долю российского рынка. Для вторых требуются дефицитные материалы, они стоят значительно дороже кремниевых, но гораздо эффективнее. Поэтому, несмотря на высокую цену, заказы на арсенид-галлиевые батареи растут, а значит, в России выгодно развивать собственное производство этих солнечных модулей.

Первый искусственный спутник запустили на орбиту 4 октября 1957 года. Однако через несколько недель передача сигналов от него прекратилась – разрядились химические батареи. Дальнейшие работы по освоению космоса потребовали создания новых источников энергии, солнечные батареи как нельзя лучше подходили для этой цели. В России их впервые разработали в НПП «Квант» и установили на третьем советском ИСЗ, который проработал на орбите почти 2 года, с мая 1958 года. С тех пор космонавтика не может без них обойтись.

Фотоэлектрические преобразователи

Солнечная батарея состоит из множества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Это небольшие пластины, сделанные из полупроводниковых материалов. Их крепят на той части панели, которая обращена к светилу, и прикрывают защитным стеклом. Работа фотоэлементов основана на фотоэлектрическом эффекте, то есть электрический ток возникает в них под действием солнечного света. Вырабатываемая электроэнергия идёт на питание аппаратуры, систем жизнеобеспечения космического аппарата, а также на зарядку аккумуляторов.

Чаще всего фотоэлементы для солнечных батарей делают из кремния. Его запасы огромны, стоимость низкая, а технология изготовления пластин из него хорошо отработана. КПД кремниевых фотоэлементов не превышает 20 процентов.

Альтернативой кремнию служат соединения А3В5, между которыми возможен полупроводниковый гетеропереход. Главным образом это соединения на основе арсенида галлия. Гетеропереход представляет собой место сочленения двух различных по химическому составу полупроводников. Современные ФЭП делают с несколькими Р-N переходами, как правило тремя, поэтому их называют трехпереходными, а также трехкаскадными. В них одиночные фотоэлементы (каскады) располагают друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на верхний элемент, который поглощает фотоны с наибольшей энергией, то есть синий свет. Пропущенный верхним элементом свет проникает на следующий уровень и т.д. Поскольку многопереходные ФЭП работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше, чем у однопереходных, и составляет около 30 процентов. При этом фотоактивная толщина трехкаскадной структуры составляет всего 5–6 мкм.

У арсенид-галлиевых фотоэлементов есть еще несколько преимуществ перед кремниевыми. Например, вдвое большая устойчивость к высоким температурам. Это позволяет применять для них концентраторы солнечного излучения – линзы, которые фокусируют солнечный свет на рабочую поверхность. Кроме того, арсенид-галлиевые батареи обладают высокой радиационной стойкостью, поэтому их применяют на спутниках, работающих внутри радиационных поясов Земли или на пересекающих их орбитах.

Солнечные выпускники

В России солнечные батареи для космических аппаратов выпускают два предприятия: НПП «Квант» в Москве и ОАО «Сатурн» в Краснодаре. Если производство кремниевых панелей налажено полностью, то арсенид-галлиевые пока собирают из импортных фотоэлементов. Сейчас примерно 80 процентов всех выпускаемых солнечных батарей составляют кремниевые, но это соотношение скоро изменится, поскольку растет спрос на арсенид-галлиевые панели. Вот почему оба предприятия нацелены на создание собственных производств трехпереходных ФЭП и почти одновременно подали в Роснанотех заявки на финансовую поддержку своих проектов.

«Квант» – одно из старейших предприятий, работающих для космической отрасли, в этом году ему исполнилось 90 лет. Здесь произведено более 2000 солнечных батарей, в то числе для орбитальных станций «Салют», «Мир» и МКС, межпланетных аппаратов «Венера», «Марс», «Фобос», для космических аппаратов «КазСат», «Экспресс-АМ», «Глонасс-К», «Монитор-Э». Еще в 1967 году на «Кванте» изготовили арсенид-галлиевые солнечные батареи для «Венеры-4», в начале 1970-х - для «Луноходов», а позже для станции «Мир». Но это оказались разовые проекты, сделать промышленной технологию изготовления гетеропереходных ФЭП тогда не удалось, т.к. она требовала больших затрат. Только к 2000 году её удалось внедрить в промышленность, но уже не в нашей стране, а в США. Сегодня для создания собственного производства «Квант» разрабатывает современные арсенид-галлиевые фотоэлементы с тремя каскадами, каждый из которых формируется несколькими слоями различных полупроводников. На предприятии уже запущено оборудование для производства новых фотоэлементов, получены первые образцы. По плану их массовый выпуск должен начаться уже в конце 2009 года.

ОАО «Сатурн» гораздо моложе «Кванта» и до года входило в его состав. Здесь выпускали различные химические и физические источники тока, датчики, электрохимические генераторы. Первую солнечную батарею здесь изготовили в 1972 году для спутника «Циклон». По данным за 2007 год, продукцией краснодарского предприятия оснащены 13 процентов всех космических аппаратов в мире. Отечественный рынок солнечных батарей «Сатурн» с «Квантом» делят примерно поровну. «Кремниевые солнечные элементы достигли предела разумного совершенствования, незначительное улучшение характеристик требует неоправданно больших затрат. С другой стороны, космическая техника совершенствуется, что предъявляет более высокие требования как к мощности, так и к ресурсу солнечных батарей. В настоящее время только арсенид-галлиевые солнечные батареи могут удовлетворить этим требованиям», – считает генеральный директор предприятия Анатолий Скурский. У «Сатурна» также есть оригинальная разработка, позволяющая изготавливать трехкаскадные арсенид-галлиевые фотоэлементы, однако наблюдательный совет Роснанотеха одобрил проект «Кванта», о чем стало известно в июле этого года.

Как изготавливают трехкаскадные гетероструктуры

Быстрое внедрение гетероструктур в солнечную энергетику произошло после изобретения в 1980-х гг. в США метода газофазной эпитаксии. Теперь можно было легко управлять наращиванием пленок различных полупроводников. В эпитаксиальном реакторе в качестве несущего газа используется водород, в котором растворяются все необходимые элементы. Далее, изменяя давление и температуру в реакторе, на тончайшие пластинки из германия слой за слоем осаждают атомные слои различных полупроводников: арсенида галлия, индия-галлия-фосфора. Толщина наиболее важных слоев составляет 15–20 нм.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

IT-байки: термоэлектрические нанотехноло

News image

Очередной воскресный выпуск IT-баек мне вновь хотелось бы посвятить теме несовершенства современного мира. Ес...

Боевые роботы в полете

News image

Беспилотные летательные аппараты нередко называют «летающими роботами», но роботами они стали не сразу. Поначалу эти ап...

Автомобили будущего могут быть сделаны и

News image

Что прочнее стали и может в корне изменить преобразованную человеком среду? Бумага! А если точнее, ма...

Космический лифт - это почти реальность

News image

Китайские физики совершили открытие, которое сделало на шаг ближе постройку космического лифта, создание сверхстойких бронежилетов и ...

Что нам готовят нанотехнологии: теория и

News image

В большом количестве печатных источников сообщается, что на основе нанотехнологий могут быть созданы товары и пр...

Призрачная угроза

News image

Ничто не вечно под луной Едва ли не все полезные изобретения и научно-технические разработки не только сп...

«Нано» всех стран объединятся?

News image

Идея первого международного бизнес-инкубатора для «нано» обсуждалась недавно в Финляндии. В совещании участвовали специалисты из Ки...

Протеин поможет выращивать поликристалли

News image

Японский институт NAIST (Nara Institute of Science and Technology) представил технологию выращивания поликристаллического кремния с и...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Ученые слепили самого маленького в мире снеговика

Фигурка получилась высотой всего в одну сотую миллиметра – впятеро меньше толщины человеческого волоса. Как правило, дети состязаются друг с другом в ...

Kyosemi использует в солнечных ячейках фотодиоды шарооб

На 2-ой Международной выставке по генерации электроэнергии с помощью фотовольтаических приборов (Second International Photovoltaic Power Generation Expo), проходившей 27 – 29...

Распыляемые фотоэлементы заряжают энергией практически

Громоздкие и дорогие фотоэлектрические панели уже в прошлом. Что готовит нам будущее? На целые здания, крыши и даже окна распыляются революционные че...

Инновационный термометр поможет физикам, работающим со

Когда физики стремятся охладить атомы до еще более низких температуры, они сталкиваются с непростой задачей по разработке новых, более надежных сп...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.