Как делают солнечный элемент
Солнечный элемент на основе арсенида галлия — самый лучший. У него высокий КПД — в промышленно выпускаемых устройствах более 30%, он не боится облучения, выдерживает высокие температуры. Не случайно именно из него сделаны солнечные батареи на современных спутниках. А выпускают такие солнечные элементы для космоса на московском предприятии ОАО «НПП «Квант». Это старейшее предприятие солнечной энергетики в стране, а может быть, и в мире — на нем были сделаны первые солнечные батареи для советских космических аппаратов. Собственно, оттуда, из сферы освоения космоса, и пошли все многочисленные элементы, которые преобразуют солнечный свет в электричество и претендуют на то, чтобы в недалеком будущем заменить тепловые электростанции.
|
| Реактор полностью отделен от окружающей среды. Поэтому пластинки монокристалла германия в установку загружают через шлюз, затем с помощью перчаток устанавливают в приемное устройство, и далее они попадают в реакционную камеру, где на них наносят слои будущего фотоэлемента |
Сокращение космических программ, последовавшее за распадом Советского Союза, привело к непростым временам на предприятии. Однако и в этих тяжелых условиях удалось оборудовать участок по изготовлению принципиально новых элементов на основе арсенида галлия.
«Шесть лет назад здесь ничего подобного не было, — рассказывает кандидат физико-математических наук Елена Владимировна Обручева, сотрудник ОАО «НПП «Квант». — Нам пришлось заново сделать всю начинку здания, ведь работа ведется в условиях повышенной чистоты. Потребовались специализированная система вентиляции и очистки воздуха, а также система безопасности. И конечно же надо было закупить и установить современное оборудование — реакторы роста гетероструктур и другие аппараты технологической линии, специально спроектированные под наши задачи».
 
|
|
Слева - готовые солнечные элементы. Справа - обратная сторона реактора, где находятся датчики и насосы, регулирующие перемещение реагентов по трубопроводам |
Элемент на основе арсенида галлия — это гетероструктура, которая состоит из нескольких основных слоев микронной толщины. Чтобы они хорошо сопрягались, их перемежают нанослоями специального назначения (всего элемент космического назначения содержит более 30 слоев, причем половина из них нанометрического размера). Это могут быть и диффузионные барьеры, и диффузионные буферные слои, и слои эпитаксиального зарождения, и легирующие прослои, и релаксационные буферные гридструктуры из чередующихся нанослоев, и периодические нанослойные брегговские зеркала, и встроенные туннельные диоды, и так называемые квантовые ямы, и слои с квантовыми точками.
Создают гетероструктуру на подложке — пластинке, вырезанной из монокристалла германия, — в специальном реакторе. Туда, в изолированное от человека пространство, по газовым магистралям поступают сверхчистые металлорганические соединения. В реакторе они разлагаются и тончайшими слоями оседают на поверхности подложки. Чтобы все прошло так, как надо, требуется точнейшим образом контролировать в реакторе общую температуру и ее градиент в различных зонах, давление, скорости потоков.
|
| Оператор реактора |
«Технология очень сложна. Мы постоянно ведем исследовательскую работу, чтобы понимать, что за процессы идут в реакторе. Со временем его характеристики меняются, и нужно постоянно регулировать происходящие в нем процессы», — поясняет Е.В.Обручева.
После того как гетероструктура создана, ее извлекают из реактора и отправляют далее — в установку для нанесения многослойных металлических контактов и защитного стекла. Потом следует тестирование, и на выходе получается элемент будущей солнечной батареи космического аппарата, которая может служить до пятнадцати лет в жестких условиях космоса, стабильно выдавая до 350 Вт с квадратного метра своей поверхности.
|
| Реактор |
«Когда мы начинали создание участка, невозможно было найти специалистов, которые могли бы работать на этом оборудовании, — говорит Е.В. Обручева. — Тогда мы заключили договор с МИСиС, где имеется крупная школа по материаловедению полупроводников, и они стали специально для нас готовить студентов, которых мы сразу же приобщали к делу. Например, лабораторные работы ставили на действующем оборудовании, причем решали реальные задачи, связанные с отладкой процесса. В результате у нас сейчас сложился самый молодой коллектив на предприятии».
Каков же результат? Если еще пять лет назад Роскосмос закупал такие батареи за рубежом, например для оснащения спутников системы ГЛОНАСС, то теперь, после создания промышленного цеха на базе этого участка, такие заказы можно будет выполнять и в России.