Күн қондырғыларының функциональдық, математикалық модель құрылымы және

857 

Секция 

Космическая техника и технологии 

 

 

 

 

 

УДК 550.388.2 

 

Гусейнов С.Р. магистрант

1

, Суйменбаев Б.Т.

1

, Сысоев В.К.

2

,  

Ермолдина Г.Т. магистрант

1

, Суйменбаева Ж.Б. магистрант

1

,  

Бапышев А.М. магистрант

1

 

1

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева  

г. Алматы, Республика Казахстан, 

2

Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина,  

г. Химки, Российская Федерация 

gulerm@mail.ru 

 

ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ  

ПО ЛАЗЕРНОМУ ЛУЧУ 

 

Аннотация.  В  концепции  построения  солнечной  космической  электростанции  немалый  интерес 

представляет изучение системы приема и преобразования лазерной энергии в электрическую. В данной статье 

приводится  анализ  и  выбор  фотоэлектрических  преобразователей  из  соображений  максимальной  возможной 

как принимаемой, так и передаваемой мощности, а также выбор материалов, на основе которых можно достичь 

этого с максимальными значениями КПД. Проведен анализ в выборе концентраторов солнечной энергии. 

Ключевые  слова:  солнечная  космическая  электростанция,  лазерный  канал  передачи  энергии, 

фотопреобразователи, полупроводниковые приборы, солнечные концентраторы. 

 

Как  известно,  программы  развития  альтернативной  энергетики  основаны  на  применении 

солнечной энергии путем использования фотовольтаики [1]. 

Существующие  фотоэнергетические  станции  основаны  на  технологии  полупроводниковых 

материалов,  позволяющих  в  отдельных  странах  вывести  солнечные  электростанции  на  основе 

фотовольтаик 

на 

3-4 

место 

по 

объёму 

вырабатываемой 

энергии 

[2]. 

Поля 

таких 

фотопреобразователей достигают сотни квадратных метров. 

В последние годы возрос интерес к лазерным солнечным космическим электростанциям (СКЭС) 

в связи с успехами на базе нанотехнологий в разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров 

(длина волны порядка 1 микрона) и волоконных лазеров [3], которые существенно эффективнее СВЧ 

метода: 

КПД 

преобразования 

электроэнергии 

в 

инфракрасный 

лазерный 

сигнал 

в 

полупроводниковом лазере доходит до 80%; значительно меньшая расходимость (10

-6

 рад) лазерного 

луча  по  сравнению  с  СВЧ  -  сигналом  (с  геостационарной  орбиты  на  Землю  лазер  даёт  пятно  36м, 

СВЧ 

 15-20 км); реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 

250 микрон передаётся световая мощность 25 кВт). 

Развитие  технологии  космических  солнечных  электростанций  с  лазерным  каналом  передачи 

энергии,  требует  как  развития  специализированных  фотопреобразователей  под  выбранный  тип 

лазерного излучателя, так и разработку специализированных конструкций наземной техники [4-6]. 

Целесообразность  освоения солнечной энергии с помощью расположенных в космосе лазерных 

источников излучения (лазерный канал передачи энергии - ЛКПЭ) была подробно исследована [7-11]. 

При наличии конкурирующих технологий, использующих микроволновое излучение, расположенные 

в  космосе  (СКЭС)  лазерные  источники  излучения  признают  верным  решением,  несмотря  на 

смешанные  мнения  по  соображениям  общей  стоимости  системы  и  ее  эффективности.  Хотя  система 

микроволновой передачи энергии в настоящее время обладает более высокой эффективностью (всего 

процесса)  по  сравнению  с  лазерной,  на  нее  влияет  интерференция  от  сигналов  с  других  спутников 

связи, а также необходим большой размер приемника энергии ограничивающего его маневренность и 

точнонаправленную энергетическую доставку, которая является основным преимуществом в системе 

ЛКПЭ. Последние технологические достижения в производстве высокомощных волоконных лазеров 

и фотовольтаики теперь достигли таких результатов, когда концепция СКЭС через ЛКПЭ может быть 

реализована на практике с общей эффективностью системы 10 % и более [12-13]. 

858 

Для  того,  чтобы  передать  энергию  на  Землю  (или  любую  другую  цель)  с  высокой  точностью 

наведения и стабильностью, где она превращается в электрическую энергию с помощью специальных 

фотоэлементов,  СКЭС  для  ЛКПЭ  использует  высокомощные  лазеры,  либо  непосредственно 

накачиваемые солнечным излучением, либо с диодной накачкой, которые в свою очередь, управляются 

электрической энергией, вырабатываемой на борту СКЭС посредством солнечных батарей (солнечно-

синхронно).  Последние  достижения  в  области  волоконных  лазеров  с  диодной  накачкой  предлагают 

очень  высокую  точность  наведения  и  качество  излучения  при  очень  высоких  мощностях  [14]. 

Преобразование  излучаемой  оптической  энергии  в  электрическую  можно  достичь  с  помощью 

специальных преобразователей лазерного излучения (т.е. фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)), 

которые  могут  преобразовать  оптическое  излучение  одной  определенной  длины  волны  в 

электрическую энергию с очень высокой эффективностью в отличие от обычных солнечных элементов. 

Это 

возможно 

потому, 

что 

фотоэлектрический 

элемент 

обладает 

максимальным 

КПД 

фотоэлектрического  преобразования  при  освещении  монохроматическим  светом  с  длиной  волны, 

соответствующей ширине запрещенной зоны выбранного материала, поглощающего энергию.  

Такая  система  ЛКПЭ  в  сочетании  со  специальными  ФЭПами  не  только  находит  применение  в 

СКЭС,  но  и  полезна  и  для  ряда  других  наземных  применений  передачи  оптического  излучения.  В 

частности, такая система может быть использована для наземной линии визирования канала лазерной 

передачи  энергии,  дистанционного  питания  беспилотных  летательных  аппаратов.  Волоконно-

оптические передающие системы могут быть использованы со специальными ФЭПами для передачи 

энергии  в  места,  где  не  представляется  возможным  использование  обычных  проводов  в  связи  с 

наличием взрывоопасных или летучих веществ, чувствительных к электромагнитным помехам. 

Выбор  длины  волны  для  системы  ЛКПЭ  в  открытом  космосе  в  основном  зависит  от  двух 

важных соображений: 

- 

безопасность для глаз и кожи; 

- 

поглощение  и  ослабление  оптического  излучения  при  прохождении  через  атмосферу  или 

любой другой канал (например, оптическое волокно). 

В  настоящее  время  хорошо  известно,  что  излучение  с  длинами  волн  больше,  чем  1,4  мкм 

является безопасным как для человеческих глаз, так и для кожи, при плотности мощности лазерного 

излучения  до  1кВт/м

2

  (эквивалентно  излучению  одного  солнца).  Окно  прозрачности  атмосферы 

Земли,  в  котором  ослабления  оптического  излучения  минимальны,  находится  в  пределах  от  около 

1,55 мкм до 2,1 мкм в ближнем и среднем ИК-спектре. 

На  сегодняшний  день  представлены  сверх  высокомощные  волоконные  лазеры    как  на  длину 

волны  1,55  мкм,  так  и  на  2.1  мкм.  Таким  образом,  чтобы  соответствовать  указанным  выше 

требованиям,  требуется  оптимизировать  ячейки  ФЭП  таким  образом,  чтобы  достичь  максимальную 

эффективность  преобразования  на  длинах  волн  1,55  мкм  и  2,1  мкм.  Разработаны  новые  ФЭП  на 

основе  полупроводников  III-V,  которые  оптимизированы  специально  для  преобразования 

монохроматического  лазерного  излучения  с  безопасной  для  глаз  длиной  волны  1,55  мкм  в 

электрическую  энергию.  Следует  отметить,  что  выбранная  ячейка  ФЭП  для  длины  волны  2,1  мкм 

имеет  существенно  меньшую  эффективность  преобразования из-за  более  низкой  энергии  фотона  на 

длине волны 2 мкм по сравнению с 1,55 мкм.  

Во  всех  применениях  лазеров,  важнейшим  является  то  обстоятельство,  что  лазерное  излучение 

должно  быть  сформировано  в  пучок,  расходимость  которого  составляет  не  более  10

-4

  рад. 

Существенным  преимуществом  лазерного  излучения  по  сравнению,  например,  с  микроволновым, 

является  малая  длина  волны  излучения,  а.  следовательно,  и  малая  дифракционная  расходимость 

излучения.  Поэтому  использование  лазерного  излучения,  в  принципе,  позволяет  решить  задачу 

решить  задачу  передачи  энергии  и  космосе  при  разумных  размерах  излучающей  и  приемной 

апертуры. 

По сравнению с наземными лазерными системами концепция, использующая размещение лазера 

в космосе, имеет следующие преимущества: 

1) 

Пучок  излучения  не  проходит  через  атмосферу,  поглощающую  существенную  долю 

излучения  (~30%)  и,  кроме  того,  приводящую  к  рассеянию  лазерного  пучка  вследствие 

турбулентности.  Помимо  устранения  потерь,  связанных  с  поглощением  и  рассеянием,  последнее 

обстоятельство позволяет: 

а) 

избежать воздействия нелинейных процессов, ограничивающих передаваемую мощность; 

б) 

обеспечить высокое качество наблюдения объекта, на который с помощью лазерного пучка 

транспортируется энергия, и осуществить точную адресацию пучка на приемник излучения; 

859 

2) 

Дистанция  передачи  энергии  может  быть  значительно  короче,  чем  при  наземном 

расположении  лазера,  что  обеспечивает  значительный  выигрыш  в  габаритах  и  массе  передающей  и 

приемной системы. 

Требования  к  системам  передачи  энергии  по  лазерному  лучу  определяются,  с  одной  стороны, 

особенностями характеристик лазерного излучения при дистанционном энергоснабжении объектов:  

- непрерывным или импульсно-периодическим режимом его поступления;  

- большой мощностью;  

- монохроматичностью;  

-  широким  диапазоном  возможного  изменения  средней  плотности  потока  лазерного  излучения, 

падающего на фотоэлектрическую батарею (0.1-100 Вт/см

2

);  

-  неравномерным  распределением  плотности  лазерного  излучения  по  поверхности  ФЭП  и 

колебаниями этого распределения в процессе передачи энергии. 

С  другой  стороны,  эти  требования  определяются  необходимостью  обеспечения  таких  свойств 

фотоэлектрической системы преобразования лазерного излучения как:  

-  минимально  возможная  площадь  и  масса  на  единицу  вырабатываемой  электрической 

мощности; 

- высокая надежность и длительный (10-15 лет и более) ресурс работы;  

- стабильность выходных электрических параметров системы;  

- низкая стоимость. 

Исходя  из  особенностей  характеристик  лазерного  излучения  и  ограничений  на  параметры 

фотоэлектрической системы определяются основные требования к последней и ее элементам (ФЭП): 

- высокий КПД при выбранных длинах волн (0.8 и мкм) лазерного излучения; 

-  возможность  эффективной  и  надежной  работы  ФЭП  при  различной  плотности  падающего 

излучения и повышенных температурах; 

- возможность эффективного отвода тепла от системы без существенного увеличения массы; 

-  устойчивость  к  длительному  воздействию  внешних  факторов,  в  первую  очередь, 

климатические воздействия;  

- возможность компенсации неравномерного распределения плотности лазерного излучения. 

В  мире  исследования  в  области  дистанционной  передачи  энергии  по  лазерному  лучу  носит  в 

основном  теоретический  характер.  В  качестве  источников  излучения  предлагается  использование 

мощных  лазеров,  а  в  качестве  приемников  излучения  фотопреобразователей  на  основе 

гетероструктур [15]. 

Фотоэлектрические  преобразователи  являются  важными  элементами  в  системах  передачи 

энергии по лазерному лучу. При фотоэлектрическом преобразовании лазерного излучения возможно 

достижение  эффективности  до  60%.  Полупроводниковые  соединения  типа  А

3

В

3

  с  «прямой» 

структурой зон являются наиболее перспективными материалами для создания таких ФЭП. GaAs, InP 

и GaSb являются материалами, на основе которых могут быть созданы такие фотопреобразователи. 

При  этом  на  основе  GaAs  обеспечивается  эффективное  преобразование  излучения  в  диапазоне 

длин  волн  0.4-0.8  мкм,  на  основе  InP/InGaAsP  –  1,0-1.6  мкм,  а  на  основе  GaSb  могут  быть 

изготовлены ФЭП на спектральный диапазон излучения 1-1,7 мкм. Основными преимуществами этих 

материалов  являются:  высокое  качество,  обеспечивающее  достижение  близкого  к  95%  внешнего 

квантового выхода фотоответа, и возможность получения гетероструктур на основе этих материалов 

с использованием высокопроизводительных методов жидкофазной и газофазной эпитаксий. 

Большой задел в области солнечных батарей позволяет развернуть «широким фронтом» работы 

по  преобразователям  лазерного  излучения.  Теоретическое  значения  КПД  преобразований  лазерного 

излучения показаны линиями 2, 3 и 4 на рисунке 1 для трех значений фототока i

ph

. На этом рисунке 

по  оси  абсцисс  отложена  длина  волны,  которую  в  данном  случае  следует  рассматривать  как 

граничную  длину  волны  (λ

г

)  лазерного  излучения,  которое  может  быть  преобразовано 

фотоэлементами  на  основе  указанных  полупроводниковых  материалов.  Для  каждого  материала 

значения  КПД  преобразования  более  коротковолнового  по  сравнению  с  λ

г

  излучения  должны  быть 

уменьшены  в  λ  /  λ

г

  раз,  что  в  качестве  примера  изображено  четырьмя  наклонными  прямыми  для 

материалов InGaP (5) GaAs (6), GaSb(7) и Ge (8) и i

ph

 = 1.0 А×см

-2

 (из работы В.М.Андреева и др.). 

 

860 

  

200

 

400

 

600

 

800

 

1000

 

1200

 

1400

 

1600

 

1800

 

2000

 

0.00

 

0.05

 

0.10

 

0.15

 

0.20

 

Длина волны 

0

 

20

 

40

 

60

 

80

 

100

 

8

 

7

 

GaSb

 

Ge

 

6

 

5

 

1

 

2

 

3

 

4

 

InGaP   GaAs    

 

 К

П

Д

 п

р

ео

б

р

аз

о

в

ан

и

я 

 

л

аз

ер

н

о

го

 и

зл

у

ч

ен

и

я,

 %

 

И

н

те

н

си

в

н

о

ст

ь

 с

о

л

н

еч

н

о

го

 

и

зл

у

ч

ен

и

я

, 

[m

W

·c

m

-2

·n

m

-1

] 

 

 

 

Рисунок 1 - Зависимости значения монохроматического КПД для величин фототока [16] 

i

ph

 = 0,1;1,0 и 10 А×см

2

 (линии 2, 3, 4 соответственно) в зависимости от граничной волны полупроводникового 

материала; 1 - энергетический спектр солнечного излучения АМ0; 5, 6, 7, 8 - КПД преобразования энергии 

монохроматического излучения для идеализированных ФЭП на основе InGaP. InGaAsP. GaAs GaSb и Ge 

соответственно в зависимости от длины волны преобразуемого излучения. 

 

Теоретический  максимум  КПД  идеализированного  фотоэлектрического  преобразователя 

лазерной  энергии  на  основе  каждого  из  выбранных  материалов  увеличивается  с  увеличением 

плотности фототока, т.е. с увеличением мощности лазерного излучения, и уменьшается с увеличение 

длины  волны  лазерного  излучения.  При  этом,  как  видно  из  рисунка    4  для  лазерного  излучения  с 

длиной  волны  0.8  мкм  оптимальным  материалом  для  изготовления  ФЭП  является  GaAs.  Для 

лазерного излучения с длиной волны 1,07 мкм оптимальным материалом являются твердые растворы 

InGaAsP с Eg = 1,1 эВ. 

Данные  значения  КПД  рассчитаны  в  предположении  о  нулевых  оптических  потерях  излучения 

на  отражение  света  от  поверхности  ФЭП,  и  на  затенение  контактами  и  нулевых  рекомбиционных 

потерях  фотогенерированных  электронно-дырочных  пар  до  их  разделения  р-n-переходом.  Не 

учитывались  также  эффекты,  связанные  с  протеканием  в  объеме  р-  и  n-области  ФЭП 

фотогенерированных носителей тока. 

Причинами  оптических  потерь  в  преобразовании  лазерного  излучения  являются:  отражение 

части  излучения  от  поверхности  ФЭП  и  затенение  контактной  сеткой.  Снижение  коэффициента 

отражения R достигается нанесением на поверхность ФЭП просветляющих покрытий в виде тонких 

пленок,  обеспечивающих  интерференцию  и  взаимное  гашение  световых  волн,  отраженных  от 

поверхности пленки и от границы пленка-проводник. Интегральный коэффициент отражения, таким 

образом,  может  быть  уменьшен  от    R ≈ 35%  для  непросветленной  поверхности  и  до  R ≈ 50%  при 

использовании просветляющих покрытий.  

Для  гладкой  поверхности  ФЭП  (непросветленной  или  просветленной)  коэффициент  отражения 

почти  не  меняется  при  увеличении  угла  падения  лазерных  лучей  до  30-40°,  однако  затем  быстро 

увеличивается,  стремясь  к  единице  при  углах  падения,  близких  к  90°.  При  использовании 

концентраторов  лазерного  излучения  (линзы,  сферические  зеркала),  углы  падения  лучей,  как 

правило, не превосходят 30-40°. 

Вторую  часть  оптических  потерь  в  ФЭП  составляют  потери  на  затенение  светочувствительной 

поверхности электрическим контактом к освещаемой области р-n-перехода. Для снижения омических 

потерь контакт обычно выполняется в виде металлической сетки с шагом от одного миллиметра (для 

преобразования  лазерного  излучения  малой  мощности  -  0,1  Вт/см

2

)  до  0,1  мм  (для  преобразования 

мощного  лазерного  излучения  -  10-100  Вт/см

2

).  При  этом  потери  на  затенение  могут  составлять  от 

нескольких процентов до 10-15%. 

Другим  источником  потерь  являются  рекомбинационные  потери  в  ФЭП.  В  реальном  ФЭП 

электронно-дырочные  пары  могут  быть  генерированы  лазерным  излучением  как  в  n-,  так  и  в  р-

области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. 

Неосновные носители тока - электроны в р-области и дырки в n-области - двигаются к р-n-переходу, 

электрическое  поле  которого  осуществляет  собирание  электронов  в  n-область.  а  дырок  в  р-область. 

Часть  неосновных  носителей  тока  может  исчезнуть  в  результате  рекомбинации.  За  меру 

эффективности  процесса  собирания  фотогенерированных  носителей  принимается  коэффициент  Q 

861 

(коэффициент  собирания),  равный  отношению  количества  электронно-дырочных  пар,  разделенных 

полем  р-n-перехода,  к  общему  количеству  генерированных  светом  электронно-дырочных  пар. 

Величина  Q  существенно  зависит  от  длины  возбуждающего  излучения,  поскольку  имеет  место 

спектральная  зависимость  показателя  поглощения  полупроводников,  и  генерация  носителей 

происходит  на  разном  расстоянии  от  р-n-перехода.  Величина  рекомбинационных  потерь  в 

гетероструктурных ФЭП составляет порядка 5% (рисунок 2). 

 

 

 

Рисунок 2 - Фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения 

Максимальные теоретические значения монохроматического КПД фотоэлектрических преобразователей для величин 

фототока Iph = 0,1; 1,0 и 10 A·cм-2 (линии 2, 3, 4 соответственно) в зависимости от длины волны излучения. 

 

Увеличение КПД в фотопреобразователях лазерного излучения может быть достигнуто и за счет 

разработки  высокоэффективных  наногетероструктур  с  внутренним  Брэгговским  зеркалом. 

Встроенные  в  гетероструктуру  Брегговские  зеркала  (на  основе  периодических  структур, 

образованных  слоями  с  толщинами  50-70  нм),  обеспечивают  отражение  в  фотоактивную  область 

"надзонных"  фотонов.  Использование  внутреннего  Брэгговского  рефлектора  должно  обеспечить 

увеличение фотоответа, вызываемое сильным отражением от Брэгговского зеркала в длинноволновой 

области  чувствительности  ФЭП.  что  крайне  важно  для  повышения  эффективности  при 

преобразовании монохроматического излучения [10, 17]. 

В  результате  выполнения  указанных  исследований  могут  быть  созданы  высокоэффективные 

гетероструктурные  фотопреобразователи  лазерного  излучения  и  изготовлены  системы  передачи 

энергии по лазерному лучу, не имеющие аналогов в мире (рисунок 3-5).  

жүктеу/скачать 20,3 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: