Ученые Самарского университета разработали технологию фотоэлектрических преобразователей новой конструкции для солнечных батарей космических аппаратов. Она основана на использовании хорошо известных полупроводниковых материалов – кремния и карбида кремния. Новые солнечные батареи будут не менее эффективны, чем их современные наногетероструктурные аналоги на подложке германия, а стоить будут в 5 раз дешевле.

 

Солнечные батареи с 1958 г. являются одной из важнейших частей космических аппаратов. Они преобразуют энергию Солнца в электрический ток, который питает все их механизмы. Первоначально основой космических фотопреобразователей был кремний. Однако, сейчас при производстве большинства солнечных батарей для спутников используется многослойная планарная наноструктура на подложке германия.

 

Учеными Самарского университета (объединенный СГАУ и СамГУ) разработаны основы технологии новых кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), коэффициент полезного действия которых, по данным лабораторных исследований, может достигать 30% и выше. Именно такие параметры имеют наиболее эффективные на сегодняшний день наногетероструктурные ФЭП на базе соединений АIIIBV.

Однако при производстве этих фотоэлектрических преобразователей используется гораздо более сложная, дорогая и опасная технология (она связана с токсичными соединениями мышьяка и фосфора) и постепенно истощающиеся источники сырья редкоземельных металлов (галлия, индия, германия).

Актуальность новой технологии также связана с тем, что по данным геологической службы США 9/10 германия на Земле находится за пределами России - в США и Китае.

Кроме того, наногетероструктурные ФЭП на базе соединений АIIIBV более тяжелые, по сравнению с кремниевыми – их удельная масса до 1,9 кг/м2 против 1,7 кг/м2 у кремниевых, что очень важно для применения в космосе, где каждый килограмм буквально на «вес золота».

 

Основу эффективного кремниевого ФЭП, созданного учеными Самарского университета, составляет многослойная структура, содержащая слои с нанокристаллами кремния и карбида кремния, а также специальные покрытия с ионами редкоземельных элементов. Каждый слой «работает» на свою часть солнечного спектра, увеличивая в этой части долю поглощенной энергии, так что в целом получается ощутимая прибавка эффективности преобразования. Технология изготовления такой структуры базируется на хорошо отлаженной технологии производства кремниевых приборов, использующиеся материалы (кремний, углерод, карбид кремния) малотоксичны, источники сырья для их производства практически неограниченны.

 

Новая российская конструкция ФЭП на основе пористого нанокристаллического кремния дает возможность получить солнечные элементы, не менее эффективные, чем ФЭП на базе соединений АIIIBV. Но стоить они будут по крайней мере в 5 раз дешевле (подложки кремния в 5 раз дешевле подложек германия), чем те, которые сейчас используются российскими компаниями-создателями космических аппаратов. А главное – работоспособность российских спутников не будет зависеть от наличия или отсутствия германия в России.

 

«Наша технология гораздо проще и эффективнее зарубежных аналогов, и может применяться для производства ФЭП не только космических солнечных батарей. Мы используем современные достижения нанотехнологий и доступные недорогие материалы, и это уже дало неплохие результаты. Получены опытные образцы ФЭП нового типа, для чего использовались мощности одного из российских предприятий», - подчеркнул доцент кафедры радиофизики и полупроводниковой микро- и наноэлектроники СГАУ Наталья Латухина.

 

Весной этого года опытные образцы ФЭП разработки ученых Самарского университета отправятся на испытания в условиях открытого космоса на борту космического аппарата «Аист-2», который в рамках первой пусковой кампании стартует с нового российского космодрома «Восточный».

 

На борту спутника установлены 13 пластин размером 2х3 см различного типа с пористым слоем и один контрольный образец без пористого слоя с нанокристаллами кремния. Телеметрические данные с каждой пластины, которые будут поступать в РКЦ «Прогресс», позволят ученым Самарского университета и специалистам ракетно-космического центра выбрать наиболее устойчивый к космической радиации тип образца.

 

В дальнейшем, при условии успешного окончания летных испытаний и внедрения этой технологии в массовое производство, новыми российскими солнечными кремниевыми батареями смогут оснащаться не только спутники, но и беспилотные летательные аппараты, электромобили, зарядные устройства мобильных телефонов, смартфонов, компьютеров, а также любая бортовая (и не только) электроника.