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. 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 таким образом 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 им. 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 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 микрометра (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 (пару из электрона и дырки). 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 процентов, 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 процентов, а преобразуемая ими плотность мощности падающего излучения достигает 10 киловатт на квадратный сантиметр. При этом нужно отметить, что у всех фотопреобразователей, для которых достигнута эффективность около 70 процентов, 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 процентов», — рассказывает руководитель проекта Владимир Хвостиков, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.
В дальнейшем авторы планируют получить более сложные сборки из множества отдельных фотоэлементов, чтобы помимо эффективного преобразования лазерного излучения добиться высокой плотности, а также напряжения в десятки вольт, необходимого для более эффективной передачи энергии потребителю.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ