Ученые Самарского университета начали эксперименты в космосе с новыми солнечными батареями

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва начали цикл экспериментов в открытом космосе с инновационными фотоэлектрическими преобразователями. Их итогом станет создание для космических аппаратов солнечных батарей нового типа. Они будут стоить в несколько раз дешевле, чем существующие аналоги, и позволят России обрести независимость от поставок компонентов для производства "космических" солнечных батарей из-за рубежа.

 

Базой для научного эксперимента с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), разработанными в Самарском университете, является космический аппарат "Аист-2Д". Он создан учеными университета и специалистами РКЦ "Прогресс", и в конце апреля был выведен на околоземную орбиту в рамках первой пусковой кампании с нового российского космодрома Восточный.

 

На борту спутника находятся 14 образцов ФЭП размером 2 на 3 см каждый. 13 из них – инновационные, и один – контрольный, произведенный по существующим сегодня промышленным технологиям. Опытные образцы отличаются друг от друга по составу образующей их многослойной структуры. В частности, в каждом из них имеются свои материалы в верхнем чувствительном слое, отвечающем за преобразование солнечного света, - карбид кремния, сульфид цинка, фторид диспрозия или другие химические вещества. Кроме того, отличается и геометрия каждого чувствительного слоя.

 

В настоящее время со всеми экспериментальными образцами солнечных батарей на борту спутника установлена устойчивая связь. Телеметрия работает нормально, сигналы ежедневно поступают в центр приёма данных РКЦ "Прогресс". Характеристики работы каждого опытного элемента соответствуют ожидаемым. При этом специалисты РКЦ "Прогресс" и ученые Самарского университета учитывают положение спутника на орбите, температуру и освещённость батарей. Проанализировав данные о поведении образцов в условиях открытого космоса, ученые уже в 2017 г. смогут приступить к разработке наиболее эффективной структуры инновационных фотоэлектрических преобразователей. "Мы будем анализировать получаемые с орбиты данные, с тем, чтобы уже через год сделать первые выводы об оптимальной конструкции ФЭП, объединяющей в себе потенциал всех образцов", - отметила доцент кафедры радиофизики и полупроводниковой микро- и наноэлектроники Самарского университета Наталья Латухина.

 

В дальнейшем, по завершении летных испытаний и внедрения этой технологии в массовое производство, новыми российскими солнечными кремниевыми батареями смогут оснащаться не только спутники, но и беспилотные летательные аппараты, электромобили, зарядные устройства мобильных телефонов, смартфонов, компьютеров, а также любая бортовая (и не только) электроника.

 

Уникальность фотоэлектрических преобразователей, разработанных учеными Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва, состоит в том, что они основаны на использовании хорошо известных полупроводниковых материалов – кремния и карбида кремния. Однако, коэффициент их полезного действия, по данным лабораторных исследований, может достигать 30% и выше. Именно такие параметры сейчас имеют наиболее эффективные на сегодняшний день наногетероструктурные ФЭП на базе соединений АIIIBV. При этом они более тяжелые, по сравнению с кремниевыми (их удельная масса доходит до 1,9 кг/м2 против 1,7 кг/м2 у кремниевых), стоят современные многослойные наногетероструктурные ФЭП на подложке германия в пять раз дороже чем кремниевые, а 9/10 запасов германия на Земле, по данным геологической службы США, находится за пределами России - в США и Китае.

 

Основу эффективного кремниевого ФЭП, созданного учеными Самарского университета, составляет многослойная структура, содержащая слои с нанокристаллами кремния и карбида кремния, а также специальные покрытия с ионами редкоземельных элементов. Каждый слой "работает" на свою часть солнечного спектра, увеличивая в этой части долю поглощенной энергии, так что в целом получается ощутимая прибавка эффективности преобразования. Технология изготовления такой структуры базируется на хорошо отлаженной технологии производства кремниевых приборов, использующиеся материалы (кремний, углерод, карбид кремния) малотоксичны, источники сырья для их производства практически неограниченны.