Российские ученые представили установку для создания космических солнечных элементов на базе сапфира

Прорыв в космической энергетике: замена дорогому германию

Специалисты Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ) достигли значительного прогресса в разработке новых источников энергии для российской космонавтики. Научный коллектив завершил создание прототипа сложной установки для газофазной эпитаксии. Этот ключевой этап открывает путь к переходу космической отрасли на более экономичные и высокоэффективные солнечные элементы, изготовленные на подложках из искусственного сапфира. Разработка ведется в рамках стратегической программы академического лидерства «Приоритет 2030».

Традиционно для космических солнечных батарей в России используются кремний и арсенид галлия, которые наносятся на подложки из германия. Однако германий является дорогостоящим материалом, что существенно увеличивает стоимость конечных изделий и влияет на зависимость от импорта компонентов. Ученые СКФУ предлагают радикальную альтернативу: замену германия на искусственный сапфир (корунд). Этот материал значительно более доступен и уже нашел широкое применение в микроэлектронике, в частности, при производстве светодиодов.

Как подчеркивают в вузе, сапфир обладает рядом уникальных преимуществ, критически важных для эксплуатации в открытом космосе: он отличается высокой оптической прозрачностью (в диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного спектра), отличной термической и радиационной стойкостью, а также имеет более низкую плотность по сравнению с германием, что способствует снижению общей массы космических аппаратов.

Особенности новой газофазной установки

Сконструированная в СКФУ установка отличается высокой степенью технической сложности, как в плане своей конструкции, так и в управлении самим технологическим процессом. В настоящее время инженеры и исследователи проводят финальные испытания всех узлов перед тем, как перейти к основной задаче — отработке режимов для выращивания активных полупроводниковых слоев.

«На этой платформе ученые СКФУ планируют отработать режимы получения активных слоев многослойных структур на основе соединений нитридов металлов, оптимальных для солнечных элементов космического назначения», — цитируют в СКФУ.

По сути, речь идет о применении технологии МОС-гидридной эпитаксии — метода выращивания полупроводниковых пленок из газовой фазы. При этом ученые опираются на уже освоенные в гражданской промышленности технологии производства светодиодов на нитридных подложках, перенося этот опыт в сферу космической энергетики.

Интересной особенностью разработки является концепция так называемого «вывернутого наизнанку» элемента. Идея состоит в том, что солнечный свет будет проходить непосредственно через прозрачную сапфировую подложку, что меняет традиционную архитектуру фотоэлемента.

Экономический и стратегический потенциал

Переход на сапфировые подложки имеет не только техническое, но и значительное экономическое измерение. По словам доктора технических наук Игоря Сысоева, директора научно-образовательного центра фотовольтаики и нанотехнологий СКФУ, отечественные разработки на основе сапфира могут удешевить производство элементов для солнечных батарей в десятки раз.

Ректор СКФУ, профессор Татьяна Шебзухова, отметила важность проекта для регионального и федерального развития: «Проект предусматривает полный цикл создания отечественных солнечных элементов на сапфировых подложках, включая создание производственной линии. Это важный шаг к созданию современного высокотехнологического производства в Ставропольском крае. Реализация проекта создаст базу для трудоустройства высококвалифицированных специалистов, укрепит позиции региона как центра перспективных космических и энергетических технологий».

На текущий момент (январь 2025 года) в России функционировало всего два предприятия, занимавшихся выпуском солнечных батарей для космических целей, располагаясь в Московской области и Краснодарском крае, в то время как основные производственные мощности сосредоточены за рубежом.

Следующие шаги и рыночные перспективы

Следующим этапом в рамках проекта после успешной отладки лабораторного прототипа станет разработка и создание уже полноценной промышленной установки, ориентированной на серийный выпуск новой продукции. Планируется, что масштабирование технологии будет осуществляться при участии производственных мощностей Ставрополья, а разработкой уже заинтересованы профильные предприятия, включая краснодарские заводы, производящие космические солнечные батареи.

Основной целью является достижение высокого коэффициента полезного действия (КПД). Если эффективность новых солнечных элементов на сапфире превысит отметку в 30%, как рассчитывают разработчики, российская технология сможет не только обеспечить импортозамещение и снизить зависимость от зарубежных поставок, но и составить серьезную конкуренцию на мировом рынке высокотехнологичной космической продукции.