| Название: | Разработки наногетероструктурных солнечных элементов и устройств фотовольтаики нового поколения |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 09 - Инженерные науки |
| Научная дисциплина: | 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии |
| Ключевые слова: | Наногетероструктуры, фотовольтаика, солнечная энергетика, фотоэлектрический преобразователь, солнечный элемент, концентраторный фотоэлектрический модуль, фотоэлектрическая установка. |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Андреев,ВМ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 14-29-00178 |
| Финансирование 2014 г.: | |
Повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра является актуальным для создания солнечных фотоэнергосистем нового поколения, для передачи энергии и информации по оптическим каналам и для других оптоэлектронных систем. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является наиболее перспективным направлением возобновляемой энергетики. Солнечные батареи обеспечивают энергопитанием космические аппараты и получают все большее применение на Земле. В 2013 году в мире было установлено солнечных батарей мощностью более 37 ГВт при общей мощности установленных к 2014 году батарей около 140 ГВт. Недостатком солнечной фотоэнергетики является относительно высокая стоимость «солнечной» электроэнергии. Путями снижения стоимости являются: повышение КПД энергосистем и уменьшение расхода материалов для батарей. В концентраторных фотоэнергосистемах на основе наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей обеспечивается увеличение в 2-3 раза удельного (с единицы площади батарей) энергосъема за счет большего КПД и слежения за Солнцем, а также снижение площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. Наногетероструктурные фотопреобразователи обеспечивают также значительное увеличение КПД и радиационной стойкости космических солнечных батарей. Другими важными направлениями фотовольтаики являются фотоэлектрические преобразователи излучения радиоактивных изотопов и термофотоэлектрические преобразователи излучения эмиттеров, нагреваемых до высоких температур (>800°C) теплом сжигаемого газа или сильно-концентрированным солнечным излучением. Мощные наногетероструктурные фотопреобразователи лазерного излучения имеют перспективы широкого использования для передачи энергии по оптическому каналу, например, в волоконно-оптических информационно-энергетических системах. Наногетероструктурные фотоэлектрические преобразователи изготавливаются на основе гетеропереходов между полупроводниковыми соединениями А3В5 и твердыми растворами на их основе (AlGaAs, GaInAs, GaInP, GaInAsSb, GaInAlP и др.) Лаборатория фотоэлектрических преобразователей http://pvlab.ioffe.ru ФТИ им. А.Ф.Иоффе, созданная в 1985 году на основе одноименного сектора, имеет многолетний опыт разработок наногетероструктурных фотоэлементов для солнечных батарей и высокоскоростных оптоэлектронных устройств. Эти исследования были начаты в конце 1960-х годов. Тогда были открыты «идеальные» гетеропереходы, на основе которых впервые в мире были созданы полупроводниковые гетеролазеры, гетерофотоэлементы и другие гетеропереходные приборы, обеспечившие качественное улучшение их параметров, а также создание принципиально новых приборов. В последние годы в лаборатории созданы каскадные солнечные элементы на основе наногетероструктур Ge/Ga(In)As/Ga(Al)InP, высокоэффективные преобразователи мощного лазерного излучения на основе AlGaAs/GaAs, GaSb, GaInAs гетероструктур, термо-фотоэлектрические преобразователи и другие типы фотоэлементов, соответствующих по своим параметрам лучшим мировым образцам. Научная новизна проекта состоит в следующем: - Для повышения КПД фотоэлектрических преобразователей будут осуществлены: - минимизация рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных потерь в области пространственного заряда встроенных фотовольтаических p-n переходов; - максимизация электрической проводимости (прозрачности энергетического барьера для межзонного туннелирования) соединительных туннельных р++n++ переходов с использованием квантовых точек. - Создание новых структур на основе GaInP/GaInAs/Ge с квантово-размерными поглощающими слоями позволит сдвинуть оптический край поглощения среднего субэлемента на основе GaInAs в длинноволновую область. Это обеспечит повышение фототока, генерируемого этим субэлементом и увеличение фототока всего каскадного ФЭП. - Новыми и весьма перспективными являются запланированные разработки и исследования каскадных ФЭП с двухсекционным Брегговским отражателем, характеризующимся более широким максимумом отражения, что позволит значительно повысить их радиационную стойкость по сравнению с мировыми аналогами. Новыми будут разработки ФЭП с увеличенным числом фотовольтаических переходов (4 и более). При этом будет достигнуто снижение предельно высоких уровней легирования р+ и n+ слоёв и снижение скорости деградации туннельных переходов, имеющих место за счет диффузии электрически-активных примесей при создании и эксплуатации ФЭП. - Новым перспективным, но мало исследованным способом повышения длинноволновой спектральной чувствительности среднего субэлемента и увеличения фототока всего каскадного фотопреобразователя, будет использование наногетероструктур с множественными квантовыми ямами, открывающие большие возможности для конструирования ширины запрещенной зоны материалов посредством варьирования параметров квантовых ям. В результате реализации перечисленных новых подходов будут созданы каскадные солнечные элементы с КПД > 35% при солнечном излучении в условиях «околоземного» космоса (АМ0) и с КПД > 45% при концентрированном солнечном излучении на Земле (условия АМ1.5). Для термо-фотоэлектрического преобразования излучения тел, нагретых до высокой температуры ( >800°С) концентрированным солнечным излучением или теплом сжигаемого газа, будут разработаны и созданы новые наногетероструктуры на основе узкозонных материалов GaSb, InGaAs, InGaAsSb, обеспечивающих эффективный захват и преобразование видимого и «ближнего» ИК-излучения в спектральном диапазоне до 2,5 мкм. Для создания радиоизотопных источников тока будут разработаны и созданы ФЭП, обеспечивающие эффективное преобразование, в первую очередь, «мягкого» бета-излучения радиоизотопов, таких как 63Ni, 55Fe и др. В таких фотоэлементах будет обеспечен эффективный сбор носителей тока, генерированных на малой глубине (0,01…0,1 мкм) от поверхности ФЭП. Для обеспечения высокоэффективного (КПД > 60%) преобразования мощного (до 100 Вт) непрерывного лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 0,8…1,7 мкм будут разрабатываться новые типы наногетероструктур в системах AlGaAs/GaAs, InGaAsP/InP и AlGaAsSb/GaSb с уменьшенными омическими и оптическими потерями. Для повышения мощности и быстродействия информационно-энергетических преобразователей мощного импульсного лазерного излучения, модулированного радиочастотой, будут разрабатываться новые типы наногетероструктур с Брегговскими зеркалами, в которых будет реализовано разделение только одного типа фотогенерированных носителей тока, а также матрицы последовательно соединенных (интегрированных) ФЭП. Ожидаемые результаты проекта соответствуют наивысшему мировому уровню, ожидаемому в 2016 году.
