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, что упростит электроснабжение космических аппаратов и будет востребовано 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 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. Такой способ будет полезен для обеспечения электричеством спутников и других космических аппаратов. Предполагается, что один аппарат будет посылать лазерный луч на фотоэлектрические преобразователи другого аппарата, тем самым заряжая его. Однако до сих пор ученым не удавалось получить фотоэлектрические преобразователи, которые были бы одновременно компактными, 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. Конструкция представляет собой тонкий трапециевидный слой толщиной в 45 микрометров из сплава алюминия, галлия и мышьяка, который служит волноводом, преломляющим лазерное излучение. В разных частях слоя содержание алюминия варьировалось, образуя градиент, благодаря чему свет преломлялся по-разному, изменяя траекторию лазерного луча с длиной волны 0,85 микрометра. Луч направлялся на фотоактивную часть преобразователя, сделанную из арсенида галлия. Когда свет попадал на арсенид галлия, он превращался в носители заряда, превращая энергию света в электрический ток.
Ученые решили выяснить, насколько компактным можно сделать такой фотоэлектрический преобразователь, чтобы он сохранил высокую эффективность. 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, и «пролетает» сквозь волновод, не попадая 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, наши фотоэлектрические преобразователи эффективнее на 10%, а преобразуемая ими плотность мощности падающего излучения достигает десяти киловатт на квадратный сантиметр.
У всех фотопреобразователей с эффективностью около 70% на фотоприемной поверхности имеется просветляющее покрытие, благодаря которому падающий свет лучше поглощается, увеличивая эффективность на 20–25%. Мы не наносили такое покрытие для чистоты эксперимента и экономии времени. Там, где мы это делали, эффективность достигала 53%», — рассказывает руководитель проекта Владимир Хвостиков, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН.
В дальнейшем авторы планируют создать более сложные сборки из множества отдельных фотоэлементов, чтобы добиться, кроме эффективного преобразования лазерного излучения, высокой плотности и напряжения в десятки вольт, необходимого для эффективной передачи энергии потребителю.
