Результат интеллектуальной деятельности: ФОТОЭЛЕМЕНТ ПРИЕМНИКА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КОСМОСЕ

Изобретение относится к области беспроводной передачи электрической энергии между космическими аппаратами (КА) на основе направленного электромагнитного излучения с одного КА на приемник-преобразователь, на основе фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), второго КА.

В настоящее время в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии между КА по оптическому каналу в системах беспроводной передачи электроэнергии. В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения. При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс /1/. Передача энергии электромагнитного излучения лазером в космосе между космическими аппаратами имеет преимущества в сравнении с наземными системами, где луч лазера, проходя через атмосферу, претерпевает существенное поглощение и рассеивание. Кроме того, расходимость излучения в результате атмосферного искажения, при наземном использовании лазера, требует специальных систем коррекции.

В данном случае рассматривается передача энергии лучом лазера, где в качестве приемника-преобразователя электромагнитной энергии выступает фотоэлектрический преобразователь.

Современный технический уровень ФЭП достаточно высок - многопереходные ФЭП на GaAs имеют КПД ~40%, в случае преобразования концентрированного излучения прогнозируется КПД до 70% /1/. Учитывая высокую монохроматичность лазерного излучения, КПД даже обычных ФЭП, использующих кремний, может достигать 20-30%. Специализированные ФЭП, рассчитанные на работу в узком участке инфракрасного диапазона, имеют высокий КПД (до 40%) даже в однопереходном исполнении, высокий КПД и у тонкопленочных ФЭП на основе полупроводников с алмазоподобной структурой. Удельные массы космических солнечных батарей в современном исполнении составляют 4-6 кг/м². Рабочий диапазон температур для элементов системы беспроводной передачи энергии в инфракрасном диапазоне составляет 10-20°C для лазерных диодов и до 60°C - для ФЭП /1/.

Использование лазера для передачи энергии монохроматического излучения позволит поднять КПД приемников-преобразователей энергии, в сравнении с обычными солнечными батареями, где характерны спектральные потери энергии. При этом значительно снижается разогрев панелей ФЭП, обусловленный спектральными потерями. Кроме того, использование лазерного излучения с высокой плотностью потока энергии, не опасаясь перегрева панелей ФЭП, позволяет снизить стоимость панелей в несколько раз и улучшить их массогабаритные показатели.

Известны конструкции фотоэлектрических преобразователей с p-n-переходом, где электронно-дырочный переход в фотоэлементе создается легированием пластинки монокристаллического полупроводникового материала определенного типа проводимости примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа 12, с.88/.

Так в /3/ приводится полупроводниковый фотоэлектрический генератор, который содержит подложку, полупроводниковые слои, просветляющее покрытие, металлические контакты. При этом согласно изобретению на лицевой стороне генератора расположено множество осажденных слоев, образующих диодные планарные n⁺-p-p⁺ или р⁺-n-n⁺, или n-р структуры, соединенные последовательно по направлению распространения излучения. Один или два линейных размера каждой диодной структуры не превышает диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области. Толщина диодной структуры в направлении распространения излучения обратно пропорциональна максимальному коэффициенту поглощения излучения в полупроводниковом материале. В /4, с.65/ приведена конструкция кремниевых ФЭП, выполненная в виде диодной структуры с р-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и антиотражающим покрытием на лицевой (рабочей) стороне. Процесс изготовления ФЭП основан на диффузионном легировании лицевой стороны фосфором /4, с.127/, химическом осаждении никелевого контакта /4, с.135/, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего покрытия. В /5/ приводится конструкция ФЭП, где контактная сетка выполнена на тонкой полупроводниковой пластине из кремния и включает узкие токопроводящие проводники, проходящие вдоль одной оси фотоэлектрического преобразователя на расстоянии шага друг от друга, и два широких токопроводящих проводника, пересекающих узкие проводники под углом 90°, для присоединения токоотводящих проводников. Металлическое покрытие узких токопроводящих проводников выполнено на расстоянии не более трех миллиметров от краев широких токопроводящих проводников, и его общая площадь составляет 95-98% от общей площади поверхности всех узких токопроводящих проводников.

Вышеприведенные конструкции относятся к фотоэлектрическим преобразователям для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию с помощью солнечных батарей и имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока через p-n-переход. Это связано с тем, что солнечный свет не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. А поскольку свойства полупроводниковых материалов ФЭП зависят от длины волны падающего излучения (например, абсолютный показатель преломления, коэффициент отражения, показатель поглощения и т.д.), то сложно создать конструкцию ФЭП, работающую в оптимальном режиме.

В качестве прототипа принята конструкция высокоэффективного концентраторного солнечного элемента /6/, включающего полупроводниковые слои р-типа и n-типа, выращенные на подложке из n-GaAs, фронтальный омический контакт в виде контактных полосок на лицевой стороне фотоэлемента и сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента. Для повышения эффективности работы фотоэлемента в базовом слое и переднем легированном слое создавались тянущие поля за счет неоднородного легирования. Затенение контактными полосками составило около 15%. Омические контакты как на лицевой, так и на тыльной стороне изготовлены на основе Au.

Недостатком указанного фотоэлемента является недостаточная эффективность преобразования концентрированного излучения и омические потери, связанные с сопротивлением растекания в переднем легированном слое при прохождении тока вдоль поверхности фотоэлемента к контактам.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и удельных значений фототока ФЭП.

Вышеуказанный результат достигается тем, что фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе, содержащий полупроводниковые легированный и базовый слои p-типа и n-типа, чередующиеся контактные полоски на рабочей стороне фотоэлемента и сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента, с рабочей стороны фотоэлемента, с заданной толщиной δ его фотоактивной области, установлена дифракционная решетка, выполненная из непрозрачных параллельных друг другу контактных полосок шириной b, чередующихся с постоянным шагом Δ и составляющих омический контакт с полупроводниковым слоем фотоэлемента, на которую падает нормально электромагнитное излучение лазера с длиной волны λ, при этом дифракционная решетка выполнена так, чтобы расстояние между контактными полосками (Δ-b) и длина контактных полосок (L) отвечали соотношению

а ширина b и шаг Δ контактных полосок дифракционной решетки удовлетворяли соотношениям

где k - заданный коэффициент затенения контактными полосками лучевоспринимающей поверхности фотоэлемента;

δ - заданная толщина фотоактивной области, соизмеримая с диффузионной длиной неосновных носителей заряда.

Суммарная толщина легированного и базового слоев, образующая фотоактивную область, соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей заряда /4, с.87, с.122/, поскольку длина диффузии определяет фотоактивную область, в которой поглощенный фотон имеет вероятность превратиться в электрический ток через p-n-переход. Типичные значения длины диффузии лежат в пределах 10^-6-10^-4 м в зависимости от концентрации носителей заряда и способа образования полупроводниковой структуры /7, с.207, 208/.

Повышение эффективности преобразования интенсивных потоков лазерного излучения в предлагаемой конструкции фотоэлемента с дифракционной решеткой на рабочей стороне основано на явлении отклонения распространения электромагнитных волн от законов геометрической оптики, или дифракции /8, с.664/. При падении на дифракционную решетку плоской монохроматической волны, от источника лазерного излучения с длиной волны λ, происходит огибание электромагнитными волнами непрозрачных контактных полосок, образующих дифракционную решетку, и проникновение волны в область геометрической тени за контактными полосками. Это приводит к увеличению длины пути проходимого излучением в фотоэлементе и позволяет снизить потери на прохождение излучения в основной полосе поглощения. Увеличение доли поглощенного лучистого потока приводит к увеличению общего количества фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых излучением в единицу времени по обе стороны от р-n-перехода. Кроме того, снижается последовательное сопротивление фотоэлемента за счет снижения сопротивления растекания в переднем легированном слое при прохождении тока вдоль поверхности фотоэлемента к контактам. Для фотоэлемента с дифракционной решеткой характерна возможность генерации носителей заряда практически во всем объеме фотоактивной области благодаря образованию дополнительных источников генерации носителей, каковыми являются источники вторичных волн. Таким образом, рост функции генерации в базовой области, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения приводит к повышению КПД в предлагаемой конструкции фотоэлемента в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями.

Суть изобретения поясняется фиг.1, где схематично изображено исполнение фотоэлемента с р-n-переходом. Фотоэлемент состоит из: легированного слоя 1, базового слоя 2, р-n-перехода 3, полупроводниковой подложки 4, тыльного металлического контакта 5, дифракционной решетки 6, контактных полосок 7, антиотражающего покрытия 8, рабочей поверхности 9, фотоактивной области 10, падающего на фотоэлемент электромагнитного излучения 11.

Фотоэлемент работает следующим образом. На рабочую поверхность 9 с дифракционной решеткой 6 падает нормально плоское монохроматическое электромагнитное излучение 11 лазера с длиной волны X. Электромагнитное излучение 11 проходит между непрозрачными контактными полосками 7 дифракционной решетки 6 через прозрачное антиотражающее покрытие 8 в фотоактивную область 10 с заданной суммарной толщиной 5 легированного 1 и базового 2 слоев. Дифракционная решетка 6 представляет совокупность большого числа узких непрозрачных контактных полосок 7 шириной b, чередующихся с постоянным шагом Δ и составляющих омический контакт с полупроводниковым легированным слоем 1 фотоэлемента. Поскольку конструкция дифракционной решетки 6 удовлетворяет соотношениям (Δ-b)<<L, b<2·k·(δ·λ)^1/2/(1-k) и Δ=b/k, т.е. соблюдаются условия дифракции, то будет наблюдаться явление огибания электромагнитными волнами контактных полосок 7 и проникновение электромагнитного излучения 11 в область геометрической тени. Электромагнитное излучение 11, вдоль краев каждой контактной полоски 7, входит внутрь фотоэлемента, в его фотоактивную область 10, под некоторым углом к плоскости p-n-перехода 3, что приводит к увеличению длины его пути в фотоактивной области 10 и более равномерному распределению энергии электромагнитного излучения по объему фотоактивной области 10 полупроводника. Происходит активное поглощение фотонов с максимальным коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, благодаря соответствующему подбору полупроводникового материала для данной длины волны λ монохроматического излучения лазера. Фотоактивное поглощение сопровождается образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Неравновесные носители заряда, собранные к р-n-переходу 3, благодаря наличию контактной разности потенциалов разделяются на нем: неосновные носители свободно проходят через р-n-переход 3, а основные задерживаются. Например, при выполнении легированного слоя 1 p-типа и базового слоя 2 n-типа, электроны переходят из легированного слоя 1 в базовый слой 2 и далее через полупроводниковую подложку 4 к тыльному металлическому контакту 5, а дырки - в противоположном направлении. Таким образом, под действием лазерного электромагнитного излучения с одной длиной волны λ, через p-n-переход 3 в обоих направлениях будет протекать ток неосновных неравновесных носителей заряда - фотоэлектронов и фото дырок.

Выражения (1)-(3) определяют условия дифракции волнового фронта при нормальном падении когерентных волн лазера на рабочую поверхность фотоэлемента с дифракционной решеткой и отражают возможность повышения эффективности преобразования энергии излучения лазера в электроэнергию. Дифракционная решетка представляет совокупность большого числа узких непрозрачных контактных полосок, разделенных промежутками с постоянным шагом, составляющих омический контакт с полупроводниковым слоем. При соблюдении условия (1) каждый промежуток между контактными полосками дифракционной решетки, с достаточной степенью точности, можно принять за длинную щель и рассматривать дифракцию от щели. Положительный эффект основан на явлении отклонения распространения электромагнитных волн от законов геометрической оптики, или дифракции /8, с.664/, и проявляется в нарушении прямолинейности распространения лучей, огибании волнами препятствий, в проникновении электромагнитного излучения в область геометрической тени. При передаче энергии лучом лазера с одного КА на другой в космосе угол расходимости очень мал, а расстояние между КА достаточно велико, что позволяет с достаточной точностью принять, что на фотоэлемент приемно-преобразующего устройства падает плоская монохроматическая волна. При падении на дифракционную решетку фотоэлемента плоской монохроматической волны от источника лазерного излучения с длиной волны λ, каждый промежуток поверхности между непрозрачными контактными полосками будет являться источником когерентных вторичных волн, начиная с расстояния h

когда отчетливо наблюдаются дифракционные явления /8, с.665/. В первом приближении дифракция волн представляет собой эффект поперечной диффузии лучевой амплитуды по фронту распространяющихся волн /8, с.666/. Для рассматриваемой конструкции фотоэлемента с дифракционной решеткой, выполненной из чередующихся металлических контактных полосок на рабочей стороне фотоэлемента, необходимо рассматривать поперечную диффузию лучевой амплитуды по фронту цилиндрической волны. Явление поперечной диффузии амплитуды по фронту волны имеет локальный характер и сравнительно сильно выражено в зонах эффективной диффузии. В приближении поперечной диффузии амплитуды по фронту плоской волны, в рассматриваемой нами конструкции с дифракционной решеткой, зона эффективной диффузии будет представлять параболический цилиндр с вершиной параболы вдоль каждого края каждой контактной полоски. Причем две параболические зоны эффективной диффузии от двух соседних контактных полосок будут сливаться на расстоянии h~[(Δ-b)/2]²/λ от дифракционной решетки фотоэлемента /8, с.666/. Учитывая, что отклонение электромагнитных волн от прямолинейного направления становится существенным, когда δ>h и, принимая коэффициент затенения к контактными полосками лучевоспринимающей поверхности фотоэлемента известным и равным отношению k=b/Δ, из (4) получаем правую часть неравенства (2) для ширины полоски b омического контакта. Очевидно, минимальный размер ширины полоски b омического контакта, который выполняют из металлов с низким удельным сопротивлением, будет ограничен характерным параметром кристаллической решетки - постоянной решетки /9, с.322/. Откуда, выбрав ширину контактной полоски b из (2) и задав допустимую величину коэффициента затенения k, получаем соотношение (3) для определения требуемого шага контактных полосок Δ.

Приведем пример конкретного выполнения фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе. Положим, что фотоэлемент выполнен в виде квадрата размером 3,5×3,5 мм, на лучевоспринимающей поверхности которого установлена дифракционная решетка 6 с контактными полосками 7 на основе Au вдоль одной из сторон квадрата, т.е. с длиной полосок L=3,5 мм=3500 мкм.

Положим, что на дифракционную решетку 6 фотоэлемента падает нормально монохроматическое электромагнитное излучение лазера с длиной волны λ=0,8 мкм. В качестве полупроводникового материала выбираем GaAs как материал, имеющий наивысший показатель поглощения для данной длины волны лазера, в сравнении с другими полупроводниками /2, с.93/. Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе содержит эпитаксиальные полупроводниковые слои p-типа (легированный слой 1) и n-типа (базовый слой 2), положим, толщиной 1,0 мкм и 3,0 мкм, соответственно, на полупроводниковой подложке 4, например из n-GaAs. Сплошной омический контакт 5, на тыльной стороне фотоэлемента, положим, выполнен так же на основе Au. Антиотражающее покрытие 8 предположим выполнено из ZnS. Таким образом, на рабочую сторону фотоэлемента, с толщиной δ=4,0 мкм его фотоактивной области 10, нормально падает электромагнитное излучение лазера. Пользуясь соотношениями (1), (2) и (3), определим параметры дифракционной решетки 6, задав коэффициент затенения k=0,2. Определим ограничение по выбору ширины контактных полосок b, вычислив правую часть неравенства (2)

b<2·k·(δ·λ)^1/2/(1-k)=2·0,2·(4,0·0,8)^1/2/(1-0,2)=0,89 мкм.

Откуда выбираем ширину контактных полосок, удовлетворяющую соотношению (2), например принимаем b=0,5 мкм.

Из соотношения (3) находим требуемый шаг контактных полосок в дифракционной решетке Δ=b/k=0,5/0,2=2,5 мкм.

Очевидно, что выполняется и соотношение (1) (Δ-b)<<L, а именно (2,5-0,5)=2,0 мкм<<3500 мкм.

Таким образом, для предложенной конструкции фотоэлемента выполняются условия (1), (2) и (3), т.е. выполняются условия огибания электромагнитными волнами, с длиной λ=0,8 мкм, контактных полосок дифракционной решетки и проникновение электромагнитных волн в область геометрической тени за дифракционной решеткой. Огибая препятствия (контактные полоски) дифракционной решетки, электромагнитные волны будут входить внутрь фотоэлемента под некоторым углом к плоскости p-n-перехода, что приведет к увеличению длины его пути в полупроводнике и более равномерному распределению энергии излучения по объему фотоактивной области с толщиной δ=0,4 мкм. Происходит активное поглощение фотонов с максимальным коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, благодаря соответствующему подбору полупроводникового материала для данной длины волны λ лазера, практически во всем объеме фотоактивной области. Поглощение сопровождается образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Неравновесные носители заряда, собранные к p-n-переходу, благодаря наличию контактной разности потенциалов разделяются на нем: неосновные носители свободно проходят через p-n-переход, а основные задерживаются. Таким образом, под действием лазерного электромагнитного излучения с одной длиной волны λ, через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неосновных неравновесных носителей заряда - фотоэлектронов и фотодырок.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе позволяет увеличить КПД и удельные значения фототока ФЭП за счет:

1) увеличения длины пути проходимого излучением в фотоактивной области фотоэлемента, что позволяет уменьшить его толщину и таким образом увеличить коэффициент собирания носителей тока и улучшить энергомассовые показатели приемника-преобразователя;

2) снижения потерь на прохождение излучения в основной полосе поглощения;

3) увеличения доли поглощенного лучистого потока, что увеличивает общее количество фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых излучением, в единицу времени по обе стороны от p-n-перехода;

4) снижения последовательного сопротивления фотоэлемента за счет снижения сопротивления растекания в переднем легированном слое при прохождении тока вдоль поверхности фотоэлемента к контактам;

5) генерации носителей заряда практически во всем объеме фотоактивной области.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перспективы использования беспроводной передачи электрической энергии в космических транспортных системах // Грибков А.С., Евдокимов Р.А. и др. // Изв. РАН. Энергетика. 2009. №2. С.118-123.

2. В.А.Грилихес, П.П.Орлов, Л.Б.Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.

3. Патент РФ №2357325, кл. H01L 31/04, H01L 1/18, опубл. 27.05.2009.

4. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи, М.: Советское Радио, 1971 г.

5. Патент РФ №2303830, кл. H01L 31/0224, H01L 1/18, опубл. 27.07.2007.

6. Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs - солнечные элементы // Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р. и др. // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып.9, с.1070-1072.

7. Ш.Чанг. Преобразование энергии. М.: Атомиздат, 1965.

8. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, том 1, 1988.

9. Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983.