Современное состояние и перспективы развития элементной

ФЕДЕРАЛЬНОЕ
КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО
ОАО “НПП “КВАНТ”
«Современное состояние и перспективы развития элементной базы
космической фотоэнергетики»
Жалнин Б.В., Лебедев А.А., Обручева Е.В., Каган М.Б. ОАО «НПП «Квант»
06.02.2014
129626, Россия, Москва,
3-я Мытищинская, 16
Тел./факс: +7(495) 687-35-03
E-mail: [email protected]
ОАО « Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Развитие элементной базы космической
фотоэнергетики
35
й
-3
30
"
а
р
е
н
е
В
"
С
М
А
Б
С
]
%
[, 25
0
М
А
и 20
р
п
ьт
со 15
н
в
и
тк
е 10
ф
ф
Э
"
2,
1
д
ох
о
н
у
Л
"
Б
С
ы
д
о
х
ер
е
п
о
р
ет
е
Г
s
A
a
G
/s
A
l
A
a
G
5
и
и
ц
н
ат
с
Б
С
"р
и
М
"
й
-2
e
G
/s
A
a
G
Si
На основе GaAs (каскадные)
0
1950
монокристаллический GaAs (Квант)
1960
1970
1980
Год
1990
2000
2010
ОАО « Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Краткая история: от первой российской СБ из кремния для III ИСЗ до наших дней.
Основные этапы развития космической фотоэнергетики в ОАО «НПП «Квант»
Этапы и события
1 Первый СЭ на основе кремния
2 Первые СБ на III ИСЗ
3 Первая промышленная технология
производства кремниевых СЭ и СБ
4 Первые российские СЭ из арсенида галлия
5 Первые в мире СБ из арсенида галлия на
АМС Венера
6 Первая в мире СБ из арсенида галлия на
Луноход 1 – Луноход 2
7 Усовершенствованная технология СЭ и СБ
(газофазовая диффузия)
8 СБ кремниевые для долговременных
орбитальных станций (ДОС) «Салют»,
программы Союз-Апполон
9 Первая в мире СБ на основе
гетеропереходов мощностью 10 кВт для ДОС
«Мир»
10 Комбинированная элионная диффузионная
технология производства кремниевых СЭ
11 СБ российского сегмента МКС
12 Первая в России СБ на основе
мультикаскадных СЭ с эффективностью 27%
•
13
дата
1958
1959
1059-1963
14 Первая в Европе СБ на основе
трехпереходных СЭ с установленной
мощностью 24 кВт в рабочей точке
26.12.2013
•
•
1964
1967
Примечания
Созданы СБ для многочисленных КА,
действующих на низкой, геостационарной,
эллиптической, и промежуточной орбитах,
для всех российских долговременных
орбитальных станций, включая МКС, а также
АМС к Венере, Фобосу и самоходному
аппарату «Луноход».
1970-1972
1974
1974-1976
1986
1988
1997-2000
2005
к.п.д. до 16% с двухсторонней
чувствительностью и СБ на их основе
КА «Казсат»
24 кВт в рабочей точке экспериментально
подтверждено при запуске КА «Экспресс
АМ5»
« Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Физические модели каскадных солнечных
элементов на германиевой подложке
Трехкаскадный СЭ
Однокаскадный СЭ
Планарная
гетероструктура
содержит 27- 30 слоев.
Примерно половина
слоев
нанометрического
масштаба, включая
функциональные слои
в антиотражающем
покрытии и
контактной группе.
элемента
Grid
AR
P+ -GaAs
AR
+
Window: P -AlGaAs
Emitter: P+ -GaAs
Base: N-GaAs
Buffer: N+ -GaAs
Substrate: N -Ge
Back Contact
η
η
max
AV
∼ 21 % (AMO, 25 C)
∼ 19,8 % (AMO, 25 C)
η max ∼ 30 % (AM0, 25 C)
« Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Основные типы реакторов для изготовления
эпитаксиальных гетероструктур для СЭ
Молекулярно-лучевая
эпитаксия
Газофазовая эпитаксия из металлоорганических соединений
вертикального типа
горизонтального типа (планетарный
ОАО « Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Иллюстрация распределения газовых потоков в реакторе газофазовой
эпитаксии из металлоорганических соединений (слева) и вклады каждого
из потоков в радиальное распределение скорости роста (справа)
Структура системы контроля параметров эпитаксиального роста наногетероструктур
солнечных элементов.
Контроль параметров эпитаксиального роста
Внутренний
Во время процесса роста
– Рост брэгговского зеркала с контролем
температуры с помощью термопары
Распределённ
ая
пирометрия
Температура
в разных
зонах
Распределённ
ая
рефлектометр
ия
Дефлектомет
рия
Скорость
роста в
разных зонах
Расходометр
ы
Кривизна
Скорость
газовых
потоков в
разных зонах,
состав
газовой смеси
Внешний
После процесса роста
Равномерно
сть уровня
легирования
Бесконтактное
измерение
электросопротивл
ения
Химический
состав по
карте ШЗЗ
Съёмка спектров
фотолюминесценц
ии
Карта равнотолщинност
и
Съёмка спектров
отражения
структуры БЗ
Толщины
слоёв,
уровень
легирования
Электрохимическо
е профилирование
Дефектност
ь, качество
сопряжения
Рентгеновская
дифрактометрия
Программный комплекс
SWComplexAnalysis:
Ввод, объединение, обработка,
визуализация, вывод данных
« Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Иллюстрация проявления неоднородности эпитаксиального роста в
локальных характеристиках СЭ.
Наложение контуров СЭ и цветовая карта измерений спектрального максимума отражения брегговского
зеркала (слева). Визуализация экспериментальных данных в виде трехмерного изображения карты
(центр). Карта электролюминесценции ФЭП (справа).
Краевая
неоднородность
эпитаксии
Форма интерфейсного модуля ввода данных и позиционирование экспериментальных
точек карты образца гетероструктуры (слева); трехмерная (3d) визуализация в карты
электросопротивления (справа). Программный комплекс SWComplexAnalysis.
Варианты структуры трехпереходнах ФЭП системы
InGaP / InGaAs / Ge
Окно
InGaP
Окно
InAlGaAs
Эм
InGaAs
Эм
InGaAs
База
InGaAs
База
InGaAs
Буфе
р
(BSF)
InGaP
Буфе
р
(BSF)
InAlGaAs
Энергетическое распределение
плотности потока квантов света в
спектре АМ0 с диапазонами
поглощения каскадов трехкаскадного
СЭ типа InGaP / InGaAs / Ge
« Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Трехкаскадный гетеронаноструктурный СЭ
InGaP/GaAs/Ge
ОАО « Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Перспективные физические модели каскадных солнечных
элементов
Схематическое изображение поперечного
сечения трехпереходного (а) и
четырехпереходного ФЭП на основе
инвертированной метаморфной структуры
Возможный путь
развития каскадных ФЭП
с азотом в сторону 5-ти и
6-ти переходов
ОАО « Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
« Научно-производственное предприятие « К В А Н Т »
Спасибо за
внимание.
129626, Россия, Москва,
3-я Мытищинская, 16
Тел./факс: +7(495) 687-35-03
E-mail: [email protected]