RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3854910.22363/2312-8143-2024-25-1-75-85EALRETArticlesСтатьиResearch ArticleHighly Efficient Photovoltaic Laser Power ConvertersВысокоэффективные фотоэлектрические преобразователи мощного лазерного излученияhttps://orcid.org/0000-0001-9927-37198199-5248AndreevViacheslav M.АндреевВячеслав Михайлович

Doctor of Technical Sciences, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher of Photovoltaics Laboratory

доктор технических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей

vmandreev@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8443-46632106-9180KalyuzhnyyNikolay A.КалюжныйНиколай Александрович

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Nanoheterostructural Emitters and photodetectors Laboratory

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией наногетероструктурных излучателей и фотоприемников

Nickk@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4018-6631MalevskayaAleksandra V.МалевскаяАлександра Вячеславовна

researcher of Nanoheterostructural emitters and photodetectors laboratory

научный сотрудник лаборатории наногетероструктурных излучателей и фотоприемников

amalevskaya@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0009-0005-4371-1077NakhimovitchMariia V.НахимовичМария Валерьевна

Researcher of Photovoltaics Laboratory

научный сотрудник лаборатории фотоэлектрических преобразователей

NMar@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2230-77706900-3137ShvartsMaxim Z.ШварцМаксим Зиновьевич

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Photovoltaics Laboratory

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией фотоэлектрических преобразователей

shvarts@scell.ioffe.ruIoffe InstituteФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН15032024251VOL 25, NO1 (2024)ТОМ 25, №1 (2024)758502042024Copyright ©; 2024, Andreev V.M., Kalyuzhnyy N.A., Malevskaya A.V., Nakhimovitch M.V., Shvarts M.Z.Copyright ©; 2024, Андреев В.М., Калюжный Н.А., Малевская А.В., Нахимович М.В., Шварц М.З.2024Andreev V.M., Kalyuzhnyy N.A., Malevskaya A.V., Nakhimovitch M.V., Shvarts M.Z.Андреев В.М., Калюжный Н.А., Малевская А.В., Нахимович М.В., Шварц М.З.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcodehttps://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/38549

Photovoltaic conversion of laser radiation has found wide application in fiberoptic communication lines. Energy transfer via a laser beam is also relevant for remote power supply systems on Earth and in space. These systems can be used to power unmanned aerial vehicles, to transfer laser energy between spacecraft and from space solar panels to Earth. One of the main tasks in creating such systems is to ensure high efficiency of photovoltaic converters at high power (more than 100 W/cm2) of laser radiation. The article presents the results of research and development of photovoltaic converters of highpower laser radiation based on nanoheterostructures obtained by MOCVD epitaxy. The reduction of losses was achieved by embedding the “dielectric-silver” rear combined reflector into the structure. An increase in the generated voltage was achieved by shifting the volume charge region into the wide-gap layer of the p-GaAs-n-AlxGa1-xAs heterojunction. Thanks to an additional reduction in ohmic losses, efficiency values of > 60 % have been achieved at laser radiation (λ = 860 nm) powers in the range of 50-400 W/cm2.

Фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения нашло широкое применение в волоконно-оптических линиях связи. Передача энергии по лазерному лучу также актуальна для систем дистанционного энергопитания на Земле и в космосе. Данные системы могут найти применение для подпитки беспилотных летательных аппаратов, для передачи лазерной энергии между космическими аппаратами и с космических солнечных батарей на Землю. Одной из главных задач при создании таких систем является обеспечение высокой эффективности фотоэлектрических преобразователей при повышенной мощности (более 100 Вт/см2) лазерного излучения. Представлены результаты исследований и разработок фотоэлектрических преобразователей мощного лазерного излучения на основе наногетероструктур, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии. Повышение КПД достигнуто путем встраивания в структуру тыльного комбинированного отражателя «диэлектрик-серебро». Увеличение генерируемого напряжения достигнуто путем смещения области объемного заряда в широкозонный слой p-GaAs-n-AlxGa1-xAs гетероперехода. Благодаря дополнительному снижению омических потерь достигнуты значения КПД > 60 % при мощности лазерного излучения (λ = 860 нм) в диапазоне 50-400 Вт/см2.

photovoltaic converterAlGaAs/GaAs heterostructurelaser radiationBragg reflectorфотоэлектрический преобразовательAlGaAs/ GaAs гетероструктуралазерное излучениебрэгговский отражательAndreev VM, Grilikhes VA, Rumyantsev VD.Photovoltaic Conversion of Concentrated Sunlight (monograph). John Wiley Publ.; 1997.Alferov ZhI, Andreev VM, Rumyantsev VD. III-V heterostructures in photovoltaics. Concentrator Photovoltaics. Springer Series in Optical Sciences. 2007; 130:25-50. https://doi.org/10.1007/978-3-540-68798-6_2Alferov ZhI, Andreev VM, Rumyantsev VD. III- V solar cells and concentrator arrays. High-Efficient Low-Cost Photovoltaics, Springer Series in Optical Sciences. 2008;140:101-141. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79359-5_8Alferov ZhI, Andreev VM, Shvarts MZ. III-V Solar Cells and Concentrator Arrays. High-Efficient Low-Cost Photovoltaics. Recent Developments. Springer Series in Optical Sciences. 2020;140:133-174. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22864-4_8Iles PA. Non-solar photovoltaic cells. IEEE Conference on Photovoltaic Specialists, Kissimmee, FL, USA, 1990;(1):420-425. https://doi.org/10.1109/PVSC.1990.111659Olsen LC, Huber DA, Dunham G, Addis FW,Anheier N. High efficiency monochromatic GaAs solar cells. Proceedings of 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, NV, USA. 1991;(1):419-424. https://doi.org/10.1109/PVSC.1991.169250Howell JT, O’Neill MJ, Fork RL. Advanced receiver/converter experiments for laser wireless power transmission. In: Proc. 5th Wireless Power Transmission Conf. together with 4th Intern. Conf. on Solar Power from Space. Granada, Spain, 2004. p. 187-194.Schubert J, Oliva E, Dimroth F, Guter W, Loeckenhoff R, Bett AW. High-voltage GaAs photovoltaic laser power converters. IEEE Transactions of electron devices. 2009;56(2):170-175.Helmers H, Bett AW. Photovoltaic laser power converters for wireless optical power supply of sensor systems. IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments (WiSEE). 2016. https://doi.org/10.1109/WiSEE.2016.7877321Jarvis S.D., Mukherjee J., Perren M., Sweeney S.J. Development and characterisation of laser power converters for optical power transfer applications. IET Optoelectron. 2014;8(2):64. https://doi.org/10.1049/iet-opt.2013.0066Kimovec R, Helmers H, Bett AW, Topic M. Comprehensive electrical loss analysis of monolithic interconnected multi-segment laser power converters. Progress in Photovoltaics Research and Application. 2019;27(3):199-209. https://doi.org/10.1002/pip.3075Mukherjee J, Jarvis S, Perren M, Sweeney SJ. Efficiency limits of laser power converters for optical power transfer applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2013;46(26):264006. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/26/264006Andreev V, Khvostikov V, Kalinovsky V, Lantratov V, Grilikhes V, Rumyantsev V, Shvarts M, Fokanov V, Pavlov A. High current density GaAs and GaSb photovoltaic cells for laser power beaming. Proc. 3rd World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion (Osaka). 2003:3P-B5-33.Klinger S, Vogel W, Berroth M, Kaschel M. Ge on Si p-i-n photodetectors with 40 GHz bandwidth. 5th IEEE International Conference on Group IV Photonics, Sorrento, Italy. 2008:188-190. https://doi.org/10.1109/GROUP4.2008.4638140Piels M, Bowers JE. 40 GHz Si/Ge uni-traveling carrier waveguide photodiode. Lightwave Technology. 2014;32(20):3502-3508. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2310780Kalyuzhnyy NA, Emelyanov VM, Evstropov VV, Mintairov SA, Mintairov MA, Nahimovich MV, Salii RA, Shvarts MZ. Optimization of photoelectric parameters of InGaAs metamorphic laser (λ = 1064 nm) power converters with over 50 % efficiency. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020;217:110710. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110710Kalyuzhnyy NA, Emelyanov VM, Mintairov SA, Nahimovich MV, Salii RA, Shvarts MZ. InGaAs metamorphic laser power converters with distributed Bragg reflector for wavelength range lambda=1-1.1 mum. AIP Conference Proceedings. 2020;2298(1):030001. https://doi.org/10.1063/5.0032903Kim Y, Shin H-B, Lee W-H, Jung SH, Kim CZ, Kim H, Lee YT, Kang HK. 1080 nm InGaAs laser power converters grown by MOCVD using InAlGaAs metamorphic buffer layers. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2019;200:109984. https://doi.org/10.1016/j.solmat. 2019.109984Oliva E, Dimroth E, Bett AW. GaAs converters for high power densities of laser illumination. Progress in Photovoltaics. Research and Applications. 2008; 16:289-295. https://doi.org/10.1002/pip.811Panchak AN, Pokrovskiy PV, Malevskiy DA, Larionov VR, Shvarts MZ. High-Efficiency Conversion of High-Power-Density Laser Radiation. Technical Physics Letters. 2019;45(1):24-26. https://doi.org/10.1134/S1063785019010310Khvostikov VP, Kalyuzhnyy NA, Mintairov SA, Sorokina SV, Potapovich NS, Emelyanov VM, Timoshina NKh, Andreev VM. Photovoltaic Laser-Power Converter Based on AlGaAs/GaAs Heterostructures. Semiconductors. 2016;50(9):1220-1224. https://doi.org/10.1134/S1063782616090128Helmers H, Lopez E, Höhn O, Lackner D, Schön J, Schauerte M, Schachtner M, Dimroth F, Bett AW. 68.9 % Efficient GaAs-Based Photonic Power Conversion Enabled by Photon Recycling and Optical Resonance. Phys. Status Solidi RRL. 2021;2100113. https://doi.org/10.1002/pssr.202100113Beattie MN, Helmers H, Forcade GP, Valdivia CE, Höhn O, Hinzer K. InP- and GaAs-Based Photonic Power Converters Under O-Band Laser Illumination: Performance Analysis and Comparison. IEEE Journal of Photovoltaics. 2023;13(1):113-121.