В этой связи фотоэлектрические преобразователи представляют большой интерес. Однако, до 45 % энергии излучения органических и кремниевых фотоэлектрических материалов теряется из-за неэффективного поглощения в области ближнего инфракрасного излучения. Гибридные технологии, основанные на термофотовольтаическом эффекте, дают возможность более эффективно преобразовывать энергию, выделяющуюся в виде теплового излучения, что потенциально позволяет увеличить эффективность работы множества систем генерирования электрической энергии, основанных на использовании ископаемого топлива, а также увеличить эффективность работы радиоизотопных источников питания (РИП), рабочая зона которых может разогреваться до 800 градусов Цельсия и более.

В настоящее время европейские страны и США ведут разработку термофотовольтаических (ТФВ) преобразователей, в т.ч. с использованием металлов 3-5 групп для повышения эффективности РИП средней мощности. Применяемые материалы включают в себя такие соединения, как InGaAsSb, AlGaAsSb, InAsSb, InGaSb, InGaAs и InAsSbP, формирующиеся с помощью эпитаксиальных методов, благодаря которым достигается высокий контроль за структурными параметрами. Это дает возможность эффективно преобразовывать тепловую энергию в электричество на уровне 18-20 % с потенциальным увеличением до максимально рассчитанных 45 % КПД за счет использования наноструктурированных материалов. В нашей стране подобные технологии в области ядерной энергетики не используются даже на уровне экспериментальных образцов.
Реализация радиоизотопных источников питания с применением ТФВ элементов на базе функционализированной метаморфной гетероструктуры InGaAs/InAs, изготовленной по передовой технологии эпитаксиального роста в современной литературе не приводится, но ее использование в перспективе позволит увеличить КПД радиоизотопных электрогенераторов до 45 %, что превосходит на 19 % КПД американского радиоизотопного генератора Стирлинга.

Технология изготовления метаморфных структур для преобразования излучения ИК-диапазона в России ведётся с 2011 года, а в зарубежной литературе появилась относительно недавно. Важно сохранить приоритет Российской Федерации в этом направлении. Так, группа ученых НИЯУ МИФИ под руководством доктора физико-математических наук Петра Борисюка в рамках технологического проекта «Многофункциональный арктический комплекс: связанность территорий, безопасность и мониторинг в Арктике» научно-образовательного центра «Российская Арктика» выполняет мероприятия, цель которых - создание технологии, позволяющей повысить эффективность преобразования тепловой энергии ядерного распада в электричество от 15 % до 20 % с возможностью дальнейшего увеличения КПД до максимальных теоретически рассчитанных 45 % с помощью квазидвумерных перколяционных нанокластерных пленок.

Суть технологии заключается в использовании высокоэффективных наноструктурированных термофотовольтаических электронных преобразователей энергии ядерного распада в электричество и создании на этом принципе радиоизотопного источника питания (ядерной батареи) с применением известной технологии стандартных трёхкаскадных ТФВП (элементы прошлого поколения), которая достаточно давно используется в космосе, электронике, военной технике и пр. Такое решение имеет три главных достоинства: высокий КПД, достаточная мощность для запитки систем телеметрии удаленных объектов, разумные массогабаритные характеристики. Применение уникальных метаморфных гетероструктур с функционализацией поверхности нанокластерами в технологии РИП предлагается впервые в мире.
Указанные характеристики можно получить при использовании термофотовольтаических преобразователей на основе многокаскадной гетероструктуры InGaAs/InAs, изготовленной по передовой метаморфной эпитаксиальной технологии. Она обеспечивает увеличение эффективности преобразования световой энергии в электричество за счет сдвига максимума спектра поглощения преобразователя в инфракрасную область вплоть до 3 мкм, что в свою очередь позволит поднять общий КПД устройства и снизить массогабаритные характеристики источника энергии. Функциализация поверхности нанокластерной пленкой увеличивает эффективность поглощения ИК, что также приводит к увеличению КПД.

В рамках реализации мероприятия НОЦ «Российская Арктика: новые материалы, технологии и методы исследования» ученые НИЯУ МИФИ провели анализ технических параметров радиоизотопных источников питания, используемых для обеспечения автономной работы систем удаленной телеметрии и мониторинга объектов нефтегазовой инфраструктуры в условиях ограниченного доступа. Перспективными кандидатами источников тепла для применения в таких преобразователях являются изотопы 238Pu, 241Аm, 227Ac. Кроме того, были исследованы параметры эффективности преобразования энергии ядерного распада при использовании наноструктурированных материалов в технологии радиоизотопных термофотоэлектрических генераторов. В России подобные технологии в области ядерной энергетики используются крайне редко, а некоторые отсутствуют даже на уровне экспериментальных образцов. Разработка и использование высокоэффективных поглощающих в ИК-диапазоне покрытий позволит увеличить эффективность работы источников питания, часть энергии которых безвозвратно тратится на тепло. К таким источникам относится РИТЭГ, рабочая зона которых может разогреваться до 1000 градусов Цельсия и более. Диапазон проектных мощностей радионуклидных источников питания в зависимости от их конструкции может варьироваться от микро- до сотен Ватт. Разработка и использование высокоэффективных наноструктурированных поглощающих в ИК диапазоне покрытий позволит:

1) увеличить КПД радионуклидных источников питания до 35%;
2) провести каскадное масштабирование системы с применением конденсаторных систем накопления энергии (данные параметры в зависимости от требований потребителя могут быть увеличены до 10 кВт и более);
3) в разы уменьшить количество применяемого радионуклидного материала, что ввиду большой цены последнего положительно скажется на стоимости РИТЭГ, а также на его масс-габаритных характеристиках ввиду уменьшения требований к физической защите.

Поэтому на текущий момент путь создания высокоэффективных радиоизотопных источников энергии с высоким КПД – это поиск новых (например, нано-) материалов, которые могли бы по своим полупроводниковым свойствам заменить или дополнить кремний, германий и другие узкозонные полупроводники.

Также исследователями были получены результаты исследования квазидвумерных перколяционных нанокластерных пленок на поверхности материала капсулы радиоизотопного источника тепла, входящего в состав радиоизотопного термофотоэлектрического преобразователя энергии ядерного распада в электричество.

Таким образом, был реализован первый этап мероприятий НОЦ «Российская Арктика» по разработке технологии изготовления высокоэффективного преобразователя энергии ядерного распада в электричество на основе квазидвумерных перколяционных нанокластерных пленок с целью создания миниатюрных радиоизотопных батарей питания систем удаленной телеметрии и мониторинга объектов Северного морского пути, МО, космонавтики и нефтегазовой инфраструктуры в условиях ограниченного доступа.