Тонкопленочные ФЭП. 
Фотоэлектрический метод

Большой коэффициент поглощения солнечного излучения в арсениде галлия позволяет сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм, что обеспечивает снижение более чем на порядок расхода арсенида галлия и, как следствие этого, снижение в 2−3 раза веса солнечных батарей. В таких тонкопленочных ФЭП с толщиной активной области порядка 5 мкм возможно достижение высокой двусторонней чувствительности и повышение на 20−25% энергосъема в космосе за счет использования альбедо Земли.

Радиационная стойкость

Гетероструктурные ФЭП наряду с повышением эффективности обеспечивают также улучшение радиационной стойкости, что приблизительно в 2 раза увеличивает ресурс работы космических СБ.

Как показали многолетние исследования по деградации космических СБ под действием радиационного облучения, степень деградации существенно зависит от параметров орбиты космического аппарата (КА). Для низкоорбитальных КА (770 км) деградация СБ на основе кремния и гетероструктур GaAs-GaAlAs составляет соответственно 15% и 5% в течение 5 лет пребывания КА на орбите. Для КА на геостационарных орбитах деградация составляет 31% (Si) и 16% (GaAs) в течение 15 лет пребывания на орбите. Для радиационно-опасных орбит (7400 км при угле наклона 50°), деградация оставляет 49% (Si) и 22% (GaAs) в течение 5 лет пребывания на орбите. Поэтому применение для энергоснабжения КА батарей на основе GaAs гетероструктур дает значительный экономический эффект по сравнению с СБ на основе кремния, несмотря на более высокую стоимость таких СБ.

Чрезвычайно важным преимуществом GaAs гетероструктурных ФЭП является их способность эффективно преобразовывать 100−1000-кратно концентрированное солнечное излучение. Это позволяет снизить расход GaAs полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрирования и, следовательно, существенно снизить стоимость «солнечной» электроэнергии. Дополнительными преимуществами при переходе к концентраторным СБ в космосе являются:

• · возможность организации защиты фотопреобразователя элементами конструкции концентрирующей системы от ионизирующих излучений;
• · возможность выбора теплового режима ФЭП, обеспечивающего термический отжиг радиационных дефектов;
• · улучшение радиационной стойкости ФЭП, работающих при повышенной плотности фототока, за счет фотонного и инжекционного «отжига» радиационных дефектов.

В каскадных ФЭП может быть достигнуто существенное увеличение КПД до 25−27% (АМО, 1 солнце) и до значений порядка 30−35% при концентрированном облучении. При этом наиболее перспективными являются следующие комбинации:

• · арсенид галлия в качестве материала узкозонного элемента и твердые растворы AlgGaAs или GаInР в качестве материала широкознного элемента (двухкаскадные элементы);
• · германий в качестве узкозонного элемента, GaAs и Ga InAs в качестве материалов второго и третьего каскадов (трехкаскадные элементы).

Указанные комбинации материалов необходимой толщины в монолитной гетероструктуре могут быть выращены в настоящее время только методом газофазной эпитаксии из металло-органических и гидридных соединений (метод фотопреобразователей на основе материалов с малой шириной запрещенной зоны Е =0.6−0.75 эВ) и созданию эффективных излучателей с рабочей температурой 1000−1500°С. Наиболее перспективными для этой цели являются гетероструктуры на основе антимонида галлия (Е =0.7эВ), твердых растворов галлий-индий-сурьма-мышьяк (Е =0.5−0.6 эВ) и галлий-индий-мышьяк (Е =0.75 эВ). ФЭП на основе данных материалов обеспечивают эффективность термофотоэлектрического преобразования, превышающую 20% при температурах излучателя 1300−1500°С.

За последние годы в ФТИ им. А. Ф. Иоффе созданы AlGaAs/GaAs солнечные элементы, в которых благодаря улучшенной фоточувствительности в «фиолетовой» области спектра достигнуты значения КПД 23−25% (АМО, Кд=20−100 «солнц»), близкие к теоретическому пределу для ФЭП с одним р-п переходом. Добавление к этим ФЭП узкозонных материалов на основе InP/InGaAs и AlGaSb/GaSb гетероструктур позволило создать механически стыкованные каскадные ФЭП с КПД до 28% при 20−100 «солнцах» .

Были разработаны ФЭП в системе GaAs/AlGaAs со встроенным Брэгговским зеркалом, которое используется как оптический отражатель излучения длинноволновой области спектра и как встроенный потенциальный барьер. На основе структур с Брэгговским зекралом и тонким базовым слоем n-GaAs были изготовлены солнечные элементы для преобразования концентрированного солнечного излучения с эффективностью 23.4% (АМО) и 27.2% (AM 1.5). Наличие Брэгговского отражателя в структуре обеспечило значительное увеличение радиационной стойкости ФЭП. Часть длинноволнового излучения, оптически отражаясь от Брэгговского зеркала, поглощается вблизи области объемного заряда р-п перехода. Поэтому большинство носителей заряда генерируется при поглощении длинноволновых фотонов вблизи области объемного заряда и разделяется полем р-п перехода. Снижение диффузионной длины в слое n-GaAs при облучении высокоэнергетическими частицами компенсируется за счет поглощения переотраженной части длинноволнового света вблизи области р-п перехода. В структурах ФЭП с Брэгговским зеркалом деградация тока короткого замыкания при облучении быстрыми электронами приблизительно в 1.5 раза меньше, чем в обычных структурах ФЭП. Методом МОС-гидридной эпитаксии в ФТИ были созданы ФЭП с Брегговским зеркалом, имеющие не только высокую эффективность, но и повышенную радиационную стойкость, что позволит создавать на их основе космические СБ с повышенным ресурсом работы.