Ученые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН создали на основе арсенида галлия компактные фотоэлектрические преобразователи – устройства, способные вырабатывать электричество под действием лазерных лучей. Минимальный размер таких преобразователей, при котором они не теряют эффективности, составляет 0,2 миллиметра. Новые приборы обеспечат беспроводную передачу электроэнергии на большие расстояния, в том числе на орбитальных станциях.

Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Electron Device Letters.

Технологии беспроводной передачи энергии обретают всё большую популярность. Сегодня они используются для бесконтактной зарядки смартфонов, а в будущем могут найти применение для передачи электричества с помощью лазеров. Один аппарат будет посылать лазерный луч на фотоэлектрические преобразователи другого аппарата, которые будут улавливать лучи и трансформировать их в электричество. Однако, чтобы масштабировать эту технологию, необходимо сделать преобразователи максимально компактными.

Ученые из Физико-технического института РАН разработали для этого фотоэлектрический преобразователь на основе арсенида галлия — соединения галлия с мышьяком. Конструкция в виде трапециевидного слоя толщиной в 45 микрометров (что сопоставимо с диаметром волоса), выполненная из сплава алюминия, галлия и мышьяка, пропускала через себя лазерное излучение. Благодаря тому, что содержание алюминия в сплаве варьировалось в зависимости от конкретного участка слоя, свет на концах волновода преломлялся по-разному. Это позволило изменять траекторию лазерного луча с длиной волны 0,85 микрометров (инфракрасная часть спектра). Во время лабораторных испытаний луч направлялся на фотоактивную часть преобразователя из арсенида галлия, имеющего области с электронной и дырочной проводимостью. Частицы света при попадании на этот материал превращались в носителей заряда и, как следствие, в электрический ток.

Чтобы выяснить, насколько компактным можно сделать преобразователь без потери эффективности, авторы сконструировали аппараты разной длины – от 80 до 750 микрометров (0,08–0,75 миллиметра). Оказалось, что при длине фотопреобразователя от 0,2 до 0,75 миллиметра коэффициент эффективности (КПД) составляет около 45%, тогда как при длине в 0,08 миллиметра КПД снижается до 30%. Такая разница связана тем, что часть лазерных лучей недостаточно сильно преломляется при прохождении через волновод, чтобы попасть на фоточувствительный элемент.

«Хотя за рубежом сообщается о преобразователях с эффективностью около 70%, 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%, а преобразуемая ими плотность мощности падающего излучения достигает десяти киловатт на квадратный сантиметр», – цитирует Российский научный фонд Владимира Хвостикова, ведущего научного сотрудника лаборатории фотоэлектрических преобразователей Физико-технического института РАН.

Источник: Глобальная энергия