Алматы 2015 Almaty



Pdf көрінісі
бет126/130
Дата01.02.2017
өлшемі20,3 Mb.
#3199
1   ...   122   123   124   125   126   127   128   129   130

Зaключeниe.  Впервые    получены  графеновые  структуры  методом  реактивного  магнетронного 

распыления  в  парах  ароматического  твердого  углеводорода  нафталина  на  различных  подложках.  При 

изучении спектра ЭПР углеродной пленки на подложке из стекла было установлено, что пленка состоит 

из  одной  довольно  интенсивной  линии  с  g-фактором  равным  g=2,00414  ÷  2,00416,  характерным  для 


884 

графена.  Кроме  того  имеется  вклад  ЭПР  линии  от  нанотрубок.  В  углеродной  пленке  при  небольшом 

времени  напылении  из  анализа    ЭПР  спектра  установлена,  что  помимо  графена  образуются  еще 

углеродные  нанотрубки  (g=2,0037).  Причем  они  образуются  примерно  в  равных  количествах  графеном. 

Графитовые состояния при этом составляют порядка 10% от их общего количества. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

1.  Lorenzini  E.  C.,  Cosmo  M.  L.  Tethers  in  Space  Handbook.  —3rd  edition.  -Smithsonian  Astrophysical 

Observatory, 1997. - 241 p. 

2. Napolitano L. G., Bevilacqua F. Tethered constellations, their utilization as microgravity platforms and relevant 

features // 35-th International Astronautical Congress (October 7 -13, 1984). - Lausanne, Switzerland, 1984. -P. 84-439. 

3.Белецкий В. В., Левин Е. М. Динамика космических  тросовых систем. - М.: Наука, 1990. — 329 с. 

Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene //Nature Materials. 2007. -V6 (3). -P.183–191. 

4.  Ткачев  С.В.,  Буслаева  Е.Ю.,  Губин  С.П.  Графен  –  новый  углеродный  наноматериал  //Неорганические 

материалы, 2011, том 47, № 1, с. 5–14 

5.Елецкий А.В., Искандирова И.М., Книжник А.А. Графен:методы получения и теплофизические свойства 

// УФН, -2011, -№3, Т.181, - С.233-268 

6.  Пат.2355625  Российская  Федерация,  МПК

51

  B8  2B  3/00,  C23C.  Получение  углеродных  нанотрубок 



методом магнетронного распыления на постоянном токе / Антоненко С.В. и Мальцев С.Н.;- №2007127228/02; 

опубл. 16.07.2007. 5 

7.  Каштанов  П.В.,  Смирнов  Б.М.,  Хипплер  Р.  Магнетронная  плазма  и  нанотехнология  //Успехи 

физических наук. -2007, -Т.177,-№5. -С.473-510. №2. 

8. Сорокин П.Б., Чернозатонский Л.А. Полупроводниковые наноструктуры на основе графена //УФН, -2013.- 

9. Байтимбетова Б.А., Верменичев Б.М. Способ получения углеродных наноструктур путем магнетронного 

реактивного распыления графита в возгоняемых парах ароматических углеводородов //Патент 2013/0803.1 

10.Котосонов  А.С.,  Шило  Д.В.,  Моравский  А.П.  Магнитные  свойства  углеродных  нанотрубок,  полученных 

методом дугового разряда при различных условиях // Физика твердого тела. –2002 .-Том 44, №4 -С. 641-642. 

11.Рябикин  Ю.А.,  Байтимбетова  Б.А.,  Зашквара  О.В.,  Мансуров  З.А.  Обнаружение  углеродных 

наноструктур в науглероженной железохромовой шпинели. // Известия высших учебных заведений «Физика». -

2007, №1. –С. 87-92. 

12. Овчинников А.А., Атражев В.В. Магнитная восприимчивость многослойных углеродных нанотрубок // 

ФТТ. –1998. –Том 40, №10. –С. 1950-1954. 

 

REFERENCES 



1.  Lorenzini  E.  C.,  Cosmo  M.  L.  Tethers  in  Space  Handbook.  —3rd  edition.  -Smithsonian  Astrophysical 

Observatory, 1997. - 241 p. 

2. Napolitano L. G., Bevilacqua F. Tethered constellations, their utilization as microgravity platforms and relevant 

features // 35-th International Astronautical Congress (October 7 -13, 1984). - Lausanne, Switzerland, 1984. -P. 84-439. 

3.Bеletzkii V.V., Levin Е. М. Dinamyka kosmicheskyh trosovyh system. - М.: Nauka, 1990. — 329 s. 

4 Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene //Nature Materials. 2007. -V6 (3). -P.183–191. 

5.  Тkachev  С.V.,  Buslaeva  Е.Yu.,  Gubin  S.P.  Graphene-  –  novyi  uglerodi  nanomaterial  //Neorganicheskie 

materialy, 2011, -Tоm 47, № 1, -S. 5–14 

6. Еletskii А.V. Iskandirova I.М., Кnijnik А.А. Graphene:мetody poluchenya I teplophysicheskie svoistva //UFN, 

-2011, -№3, Т.181, - S.233-268 

7.  Antonenko  C.V.,  Maltzev  C.N.  Poluchenie  uglerodnih    nanotrubok  methodom  magnetronnogo  raspilenya  na 

postoyannom toke //Pribiri i tehnika eksperimenta. -2005.2005. -№3. –С.150-152. 

8. Каschtanov P.V., Smirnov B.М., Хippler R. Маgnetronnaya plasma i nanotecnologiya  //Uspexi physishceskix 

nauk. -2007, -Т.177,-№5. -S.473-510 

9. Sorokyn P.B., Chernosatonskii L.А. Poluprovodnykovye nanostructury na osnove graphena //UFN, -2013.- .-№2. 

10.  Baitimbetova  B.А.,  Vermenichev  B.M.    Sposob  poluchenya  uglerodnih nanostructur  putem  magnetronnogo 

reaktivnogo raspilenya  graphite v voztgonyaiemih parah  uglevodorodov //Patent. 2013/0803.1. 

11.Коtosonov  А.S.,  Shylo  D.V.,  Моrovskii  А.P.  Маgnitnye  сvoistva  uglerodnix  nanotrubok,  poluchennyx 

metodom dugovogo rasryada pri raslichnix usloviyax //Physica tverdogo tela. –2002 .-Тоm 44, №4 -S. 641-642. 

12.Ryabikin Yu.А., Baitimbetova B.А., Zashkvara О.V., Маnsurov Z.А. Оbnarugenye ugledonix nanostructur v 

nauglerogennoi  jelesochromovoy shpnely. // Izvestya vysshix uchebnix zavedenii «Physica». -2007, №1. –S. 87-92. 

13. Оvchinnikov А.А., Аtragev V.V. Маgnitnaya vosprimchivost mnogosloynicx uglerodnix nanotrubok // FТТ. –

1998. –Тоm 40, №10. –S. 1950-1954. 

 

Мырзахметова А.А., Рябикин Ю.А., Байтимбетова Б.А., Бектурсын Б. 



 

Ароматикалық көмірсутектер буы атмосферасында графенді алу және оның қасиеттерін зерттеу 

Түйіндеме.  Ароматикалық  көмірсутектердің  кең  тараған  түрі  көмегімен  реактивті  магнетронды 

тозандандыру  кезінде    графит  катодымен    нафталин  буында  графен  құрылымдарын  алу.  Ароматикалық 

көмірсутектердің  молекуалық  құрылымының  көміртекті  сеткасы  көміртекті  графен  сеткасы  тектес.    Графенді 


885 

алу әдісі мен оның құрылымдық ерекшеліктерінің зерттеу қорытындысы жарықтың комбинациялық шашырау 

әдісі, атомдық күштік микроскоп және электронды парамагнитті резонанс спектроскопымен зерттелген. Раман 

спектроскопы  әдісімен  графеннің  тербелмелі  модасы  (2D-зона)    ~2728  см

-1

  жиілігінде  байқалды.  Атомдық 



күштік микроскоп көмегімен графен мен көміртекті нанотүтікшенің түзлігені дәлелденді. ЭПР спектрін зерттеу 

барысында  Шыны төсеніш бетінде бір өте интенсивті сызықтың пайда болуы графеннің осы үлгіде бар екенін 

білдіреді.  Сонымен қатар ЭПР нанотүтікшенің түзілгенін  көрсетеді.  

Түйін сөздер – графен, ароматикалық көмірсутектер,  көміртекті нанотүтікше және сызық қалыңдығы.   

 

Мyrzahmetova А.А., Ryabikin Yu.А., Baitimbetova B.A., Betursun B.

 

Preparation of the graphene in the  vapor atmosphere of aromatic hydrocarbons and study its properties 

Summary. Graphene structure obtained by reactive magnetron sputtering a graphite cathode in pairs naphthalene, 

one  of  the  representatives  of  a  broad  class  of  aromatic  hydrocarbons.  Net  carbon  molecular  structure  of  aromatic 

hydrocarbons coincides with the graphene carbon grid. In this work is given the technique of producing graphene and 

the results of studies of the structural features of its methods of Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance 

and atomic force microscopy. Raman spectroscopy method detected peaks of graphene with the vibrational mode (2D-

zone) at a frequency of ~ 2728 cm

-1

. The results of studies are confirmed formation of graphene and carbon nanotubes 



using atomic force microscopy. This investigation has shown that when studying the EPR spectrum of the carbon film 

on the glass substrate, it was found that the film consists of a fairly intense line characteristic graphene. The evidence 

from this study suggests that there is a contribution of the EPR line of nanotubes.  

Key words - graphene, an aromatic hydrocarbon, carbon nanotubes and the line width. 

 

 

УДК 550.388.2 



 

Суйменбаев Б.Т., Сысоев В.К., Ермолдина Г.Т.

1

, Суйменбаева Ж.Б.

1

,  

Гусейнов С.Р.

1

, Бапышев А.М.

1

  

1

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, 



 г. Алматы, Республика Казахстан,  

2

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



г. Химки, Россия 

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  36  м, 

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]. 


886 

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]. 

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 



887 

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: 

3) 

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: 

в) 


избежать воздействия нелинейных процессов, ограничивающих передаваемую мощность; 

г) 


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

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

4) 

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 



888 

излучения показаны линиями 2, 3 и 4 - см. Рис. 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.). 

 

  

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%. 

889 

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  (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% (см. Рис. 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 (см. Рис. 3-5).  




Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   122   123   124   125   126   127   128   129   130




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет