Солнечные элементы

Жесткие и гибкие солнечные батареи с высоким отношением мощности к весу

Солнечные батареи космических аппаратов представляют собой сложные электромеханические устройства, обеспечивающие электрическое соединение солнечных элементов, их размещение на единой несущей основе, прочность и устойчивость всей конструкции при вибрации и маневрах, а также возможность ее раскрытия, монтажа и ориентации в условиях космоса.

Главные элементы конструктивной схемы ориентируемой солнечной батареи — несущая опора, или подложка, на которой монтируются солнечные элементы и межэлементные соединения, силовая конструкция (рамы, балки, мачты и т. п.), механизмы и силовые узлы системы раскрытия и ориентации.

В зависимости от механических характеристик несущей опоры, или подложки, солнечные батареи разделяют на конструкции с жесткой, полужесткой и гибкой несущими поверхностями.

Жесткая несущая конструкция солнечных батарей, как правило, состоит из двух плоских тонких листов и находящегося между ними сотового наполнителя. Она характеризуется весьма большой частотой собственных колебаний и высокой жесткостью при работе на изгиб, обеспечивающей малые прогибы панелей. Удельные характеристики таких солнечных батарей: 100–120 Вт/м², 20–40 Вт/кг.

Гибкие солнечные батареи имеют несущую подложку, характеризуемую нулевой жесткостью на изгиб, развертываемую и удерживаемую в рабочем положении с помощью раскладных мачт, балок или пантографов. Конструкции солнечных батарей с гибкой несущей поверхностью могут быть двух типов: свертываемые, пли рулонные, и складные, или пакетные. Удельные характеристики гибких батарей зависят от типа применяемых солнечных элементов и могут составить 100–120 Вт/м² и 40–80 Вт/кг.

За рубежом для космических аппаратов, работающих на геосинхронной орбите, создаются так называемые гибридные солнечные батареи, состоящие из жестких панелей, которые располагаются близко к корпусу космического аппарата и вырабатывают энергию на участке перелета с опорной орбиты на стационарную, п гибких солнечных батарей, которые развертываются на рабочей орбите. Необходимость применения таких батарей обусловлена тем, что при использовании двигателей большой тяги для межорбитальной транспортировки космического аппарата гибкие солнечные батареи не выдерживают возникающих перегрузок. Примером гибридной конструкции может служить солнечная батарея, схематически изображенная на рис. 5.1.

Принципы, заложенные в конструкцию подобных солнечных батарей, использованы также при разработке энергетического модуля, который предназначается для увеличения продолжительности пребывания в космосе орбитальной ступени транспортного космического аппарата «Спейс Шаттл», а также для энергоснабжения и обслуживания на орбите автономных космических объектов. Общий вид такого энергомодуля в пристыкованном к орбитальной ступени транспортного космического аппарата состоянии и в свободном полете схематически изображен на рис. 5.2.

Pис. 5.1. Схема гибридной солнечной батареи в сложенном (а), частично раскрытом (б) и полностью раскрытом (в) состояниях

1 — жесткая панель; 2 — трубчатая балка; 3 — гибкие панели; 4 — гибкое крыло; 5 — поворотный механизм

Рис. 5.2. Схема энергетического модуля, пристыкованного к орбитальной ступени транспортного космического аппарата (а) и находящегося в свободном полете (б)

1 — панель солнечной батареи (размер ~ 40 × 10 м); 2 — узел стыковки с полезной нагрузкой; 3 — панель радиатора системы терморегулирования; 4 — отсек оборудования; 5 — антенна; 6 — узлы стыковки с транспортным космическим аппаратом

Поскольку основной вклад в массу гибких панелей дают солнечные элементы, очень актуальной является задача уменьшения их толщины и повышения удельной мощности. Наиболее перспективны в этом отношении ультратонкие (толщиной 50 мкм) кремниевые солнечные элементы и солнечные элементы на основе гетероструктуры AlGaAs — GaAs. Увеличение размера солнечных элементов и использование элементов с обволакивающими тыльными контактами упрощает сборку и снижает удельную стоимость панелей солнечных батарей. Ожидается, что применение всех перечисленных конструктивных мероприятий должно привести к снижению удельной массы солнечных батарей и получению удельных характеристик, достигающих 120–160 Вт/м² и 200 Вт/кг.

Температурная стабилизация, просветление и защита солнечных батарей от радиации с помощью оптических покрытий

Интенсивные потоки частиц, в основном свободных электронов и протонов, образующих в околоземном пространстве так называемые радиационные пояса, приводят к ухудшению электрических параметров полупроводниковых приборов, установленных на космических аппаратах. Особенно сильно это отрицательное влияние сказывается на полупроводниковых солнечных батареях, которые с целью максимального использования солнечного излучения приходится монтировать на внешней поверхности аппаратов или на специальных выносных панелях.

Хотя в настоящее время предложены интересные способы повышения радиационной стойкости самих полупроводниковых материалов, такие, как введение ионов лития или высокотемпературный отжиг (до 400^o C для кремния и до 200–250 °C для арсенида галлия), создание покрытий из прозрачных и радиационно стойких материалов по-прежнему является наиболее эффективным способом защиты солнечных батарей.

Эффективность прозрачной защиты основана на том, что ею сильно «срезаются» или вообще не пропускаются к полупроводнику частицы малых энергий, которых особенно много в спектре радиационных поясов Земли[9]. К тому же именно частицы малых энергий наиболее разрушительно действуют на солнечные элементы, уменьшая их КПД.

Основная трудность практического решения этой проблемы состоит в том, что, кроме защиты от повреждающего действия радиации, оптические покрытия должны обладать высокими просветляющими и теплорегулирующими свойствами, т. е. уменьшать коэффициент отражения в рабочей области спектра и предохранять солнечные элементы от перегрева путем увеличения интегрального коэффициента собственного теплового излучения поверхности ε до значений в пределах 0,8–0,9. Необходимость просветления рабочей поверхности вызвана высоким коэффициентом отражения (35–40 %) чистой полированной поверхности солнечных элементов в области спектральной чувствительности 0,4–1,1 мкдо; это означает, что без уменьшения потерь на отражение не могут быть получены солнечные элементы с высоким КПД. Увеличение собственного теплового излучения поверхности солнечного элемента особенно важно в связи с тем, что для полированной высоколегированной (концентрация примесей (1–2)×10²° см^-3) поверхности кремниевых элементов без теплорегулирующего покрытия е составляет 0,19—0,24.

Для универсальной системы покрытий, впервые созданной в СССР в 1964–1965 гг., был использован принцип, положенный в основу получения двуслойного покрытия, обладающего высокими просветляющими и теплорегулирующими свойствами. Увеличение коэффициента излучения поверхности кремниевых солнечных элементов с 0,19—0,24 до 0,9 происходит при двуслойном покрытии благодаря верхнему теплорегулирующему кремнийорганическому слою толщиной 40–80 мкм (n_τu=1,51), с селективными оптическими характеристиками: для него характерны прозрачность в области 0,4–1,1 мкм и поглощение в области теплового излучения поверхности при 30–40 °C, т. е. в интервале спектра 3—30 мкм.

Высокая эффективность просветления при применении двуслойного покрытия достигается правильным выбором пленки из сернистого цинка (n_ZnS=2,3, d=0,15 мкм) в качестве оптимального просветляющего слоя между теплорегулирующим покрытием и кремнием, так как расчет показывает, что для оптимального просветляющего подслоя

n=(n_тnn_Si)^1/2=(1,5×3,7)^1/2=2,3.

Пленка ZnS может быть заменена на пленки оксидов тантала, титана или церия, имеющих близкий к ZnS показатель преломления.

В 1984–1985 гг. в отечественных работах было показано, что пленка ZnS (или Ta₂O₅, CeO₂, TiO₂) может успешно сочетаться со второй просветляющей пленкой из смеси оксидов индия и олова, имеющей показатель преломления 1,7–1,8. Просветляющее покрытие, состоящее из двух слоев, например из ZnS и In₂O₃, позволяет расширить область низкого отражения от поверхности солнечных элементов, получить кривую отражения с двумя минимумами и, кроме того, снизить последовательное сопротивление элементов благодаря высокой электропроводности пленки из смеси In₂O₃ и SnO₂ или из In₂O₃. В этом случае оптимальное покрытие из двуслойного станет трехслойным, из трехслойного четырехслойным, например, будет состоять из двух просветляющих пленок и слоя кремнийорганического лака или из двух просветляющих пленок, слоя оптического клея и внешней защитной пластины.

Чтобы такие покрытия могли выполнять еще и роль защиты солнечных элементов от радиации, верхний теплорегулирующий слой при сохранении своих оптических свойств, высокого коэффициента излучения и стойкости к условиям эксплуатации в вакууме должен иметь достаточную толщину.

Оказалось, что единственным способом увеличить толщину защитного слоя является приклейка прозрачных в области 0,4–1,1 мкм пластин из неорганического материала, не темнеющего под длительным воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и космической радиации. Испытания показали, что из многих исследованных материалов этим требованиям удовлетворяют лишь синтетические: сапфир (Al₂O₃), плавленый кварц, а также специальные сорта стекол.

Из кривых пропускания сапфира, плавленого кварца и боросиликатного оптического стекла с добавкой 2 % CeO₂ (рис. 5.3) видно, что стекло (во многом благодаря добавке CeO₂) непрозрачно для ультрафиолетового излучения с λ≤0,35 мкм. Следовательно, оно будет защищать клеящий состав от потемнения под действием ультрафиолетового излучения лучше, чем плавленый кварц и сапфир.

В качестве клеящего состава после длительных исследований был выбран прозрачный кремнийорганический каучук, сохраняющий высокую эластичность до весьма низкой температуры. Благодаря пластической деформации каучука снимаются внутренние напряжения, возникающие в клеевом слое при термоциклировании. Характерная для кремнийорганических каучуков плохая адгезия к стеклу и кремнию была улучшена с помощью весьма тонких (2–5 мкм) промежуточных слоев светостойкого кремнийорганического лака, предварительно наносимых на стекло и просветленный кремний. Обладая не меньшей исходной прозрачностью, чем эпоксидная смола, выбранные кремний-органические материалы из-за прочных молекулярных связей имеют значительно большую стойкость к ультрафиолетовому излучению. Испытания показали, что кремнийорганический каучук под защитным стеклом при облучении в течение периода, равносильного пребыванию на Солнце в продолжение 600 ч (время, после которого, по данным измерений, заканчиваются процессы образования окрашивающих центров в кремнийорганических покрытиях), практически не потемнел, что объясняется, кроме повышенной стойкости к ультрафиолетовому излучению Солнца, полной прозрачностью тонкого слоя кремнийорганического каучука для топ небольшой части ультрафиолетового излучения (0,35— 0,4 мкм), которая пропускается стеклом с 2 % CeO₂.

Рис. 5.3. Спектральные зависимости у коэффициента пропускания пластин ^, (l = 1 мм) до облучения

1 — сапфир; 2 — плавленый кварц;

3 — боросиликатное стекло с добавкой 2 % CeO₂

Рис. 5.4. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремниевых солнечных элементов с различными покрытиями

1 — без покрытия; 2 — SiO (d = 0,15 мкм); 3 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийорганический лак (l = 50 мкм); 4 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийорганический каучук + стеклянная пластина (l = 0,5 мм); 5 — идеальное охлаждающее

Измерения спектральной чувствительности и нагрузочной вольт-амперной характеристики (под имитатором солнечного излучения с плотностью потока E=1360 Вт/м²) кремниевых солнечных элементов с полированной поверхностью до и после нанесения трехслойного покрытия, состоящего из просветляющего слоя ZnS (d=0,15 мкм), клеящего слоя кремнийорганического каучука и защитной стеклянной пластины, показали, что трехслойные покрытия вследствие своих просветляющих качеств позволяют увеличить I_κз и КПД солнечных элементов на 40–42 %. Длительное воздействие ультрафиолетового излучения Солнца в вакууме, равное по интенсивности пребыванию на внеатмосферном Солнце в течение многих сотен и тысяч часов, весьма слабо сказывается на оптических свойствах трехслойного покрытия — характеристики элементов почти не изменились после испытаний. Испытания на стойкость к термоперепаду в вакууме в интервале от +100 до -100 °C с выдержкой более 1 ч при каждом из крайних значений температуры показали, что оптические и механические свойства трехслойного покрытия сохраняются при толщине защитных стеклянных пластин 0,15—3 мм. Благодаря высокому коэффициенту излучения стекла (ε=0,9) трехслойное покрытие обладает хорошими теплорегулирующими свойствами и позволяет стабилизировать рабочую температуру солнечных элементов на уровне 65–70 °C. Дополнительным преимуществом трехслойных покрытий с внешним слоем стекла является защита солнечных элементов от механических воздействий, например микрометеоритов в космических условиях и песчаных частиц в пустынях.

Спектральное распределение коэффициента отражения полированной приемной поверхности кремниевых солнечных элементов до и после нанесения защитных и теплорегулирующих покрытий представлено на рис. 5.4, где в области солнечного спектра (0,2–3 мкм) использована «деформированная» шкала λ, отражающая распределение солнечной энергии по спектральным интервалам, в остальной части спектра шкала λ равномерна. Кривые 1–4 на рис. 5.4 получены для солнечных элементов, непрозрачных во всем исследуемом интервале спектра вследствие того, что их темновая нерабочая сторона полностью покрыта металлическим контактом, образованным химическим осаждением никеля или вакуумным испарением титана на предварительно шлифованную поверхность кремния. Если коэффициент излучения ε благодаря двуслойным или трехслойным покрытиям почти достигает уровня ε черного тела, то получить теоретически возможное (без уменьшения КПД) низкое значение α_c=0,66 указанные покрытия не позволяют (см. рис. 5.4). Основной причиной этого является невысокое отражение в области 1,1–3 мкм, на которую приходится около 26 % энергии падающего солнечного излучения. Уменьшение интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения α_c со значения 0,92, характерного для обычных солнечных элементов, до 0,66 (что можно сделать, не ухудшая КПД и спектральной чувствительности) было бы весьма заманчиво, ибо равновесная рабочая температура элементов при этом снизилась бы на -20° в условиях исключительно радиационного теплообмена с окружающей средой.

Несмотря на сложность и трудоемкость такого решения, для защиты от ультрафиолетового излучения и уменьшения α_c в ряде зарубежных работ было предложено наносить на внутреннюю поверхность стеклянных пластин, приклеиваемых к внешней поверхности солнечных элементов из кремния или арсенида Галлия, интерференционный фильтр, состоящий из 38, 41, 58 слоев. Однако высокое отражение в области солнечного спектра достигается при этом только в интервале 1,1–1,8 мкм, причем оптические свойства фильтров подвержены значительным изменениям при облучении ультрафиолетовым излучением и ядерными частицами.

Для солнечных элементов из кремния и арсенида галлия с тонким диффузионным слоем существует, как впервые было показано советскими учеными, еще одна возможность уменьшения их радиационного перегрева — пропускание солнечного излучения в области 1,1–3 мкм сквозь элемент.

Солнечные элементы из кремния и арсенида галлия, прозрачные в инфракрасной области солнечного спектра, были получены в СССР экспериментально. Оптические характеристики таких солнечных элементов представлены на рис. 5.5. Следует отметить, что прозрачные в инфракрасной области элементы из кремния в предельном случае могут пропускать сквозь себя 26 % энергии внеатмосферного солнечного излучения (часть солнечного излучения в интервале 1,1–2,5 мкм), а прозрачные в инфракрасной области элементы из арсенида галлия даже 35 % (часть солнечного излучения в спектральном интервале 0,9–2,5 мкм). Были получены также солнечные элементы из других цолупроводниковых материалов, таких, как сульфид кадмия и германий, прозрачные в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения. На обе поверхности прозрачных солнечных элементов, предназначенных для работы в условиях воздействия радиации, наносятся трехслойные покрытия.

Рис. 5.5. Спектральные зависимости коэффициента пропускания солнечных элементов из Si (1, 1') и GaAs (2; 2') с тонкими (l = 0,5 мкм) диффузионными слоями

1, 2 — до просветления; 1', 2' — после просветления пленкой SiO рабочей (d = о,15 мкм) и темновой (d = 0,3 мкм) поверхностей соответственно

Рис. 5.6. Изменение во времени тока нагрузки экспериментальных модулей из кремниевых солнечных элементов с различными оптическими покрытиями, установленных на спутнике Земли «Молния-1»

1 — ZnS + каучук + стекло с 2 % CeO₂ (l = 1,0 мм); 2 — пластина плавленого кварца (l = 1,0 мм) над поверхностью непросветленного Si; 3 — ZnS + кремнийорганический слой (l = 30 мкм); 4 — SiO (d=0,15 мкм)

Еще одним преимуществом солнечных элементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, является их стойкость к резкому термоциклированию в вакууме. Удаление контактного слоя с большей части тыльной поверхности, крепление секций на гибкой и эластичной подложке вместо жесткой металлической позволили в значительной мере снять внутренние напряжения на границах контактирующих сред.

Как показали дополнительные исследования, термоциклирование, происходящее при заходе в тень Земли и выходе из нее, выдерживается солнечными элементами, прозрачными в инфракрасной области солнечного спектра, без какого-либо уменьшения отдаваемой ими электрической мощности.

Для проверки результатов лабораторных испытаний трехслойных покрытий на спутниках, неоднократно пересекающих во время полета радиационные пояса Земли, таких, как «Электрон» и «Молния-1», были поставлены эксперименты по исследованию влияния длительного ультрафиолетового и радиационного облучения на прозрачность оптических покрытий для кремниевых солнечных элементов. Например, один из экспериментов состоял в измерении во времени тока короткого замыкания и тока нагрузки расположенных рядом, постоянно ориентированных на Солнце экспериментальных модулей, в одном из которых на каждый солнечный элемент было нанесено трехслойное покрытие, а над другим была закреплена пластина из плавленого кварца с помощью металлической обоймы (без кремнийорганического клея между стеклом и непросветленными солнечными элементами). Полученные экспериментальные данные представлены на рис. 5.6. Отсутствие сколько-нибудь заметного различия в ходе кривых 1 и 2 за более чем семимесячный период пребывания модуля на орбите показывает, что оптические характеристики и прозрачность всех трех слоев разработанного покрытия, сочетающего просветление поверхности и улучшение теплового баланса солнечных элементов с защитой их от воздействия радиации, практически не изменяются при длительной эксплуатации в радиационных поясах Земли.

Из рис. 5.6, на котором приведено также изменение в тех же условиях тока нагрузки модулей, снабженных тонкими двуслойными и однослойными покрытиями (кривые 3, 4), видно, что даже сравнительно небольшое возрастание плотности защиты позволяет значительно увеличить стойкость солнечных элементов к повреждающему воздействию радиации.

Наземные фотогенераторы в герметизирующих оболочках, использующие однократный или концентрированный поток солнечного излучения

Первоначально считалось, что создание наземных фотогенераторов из различных полупроводниковых солнечных элементов не встретит заметных научно-технических или инженерных трудностей, поскольку для этого типа устройств условия работы значительно легче, а возможности ремонта несоизмеримо больше, чем для космических солнечных батарей. Однако достаточно быстро выяснилось, что отрицательное воздействие, например, влаги воздуха на параметры солнечных элементов оказывается зачастую гораздо более сильным, чем влияние термоциклирования на околоземных орбитах. Это обстоятельство выдвинуло проблему герметизации наземных солнечных элементов в одну из наиболее актуальных. При этом оказалось, что экранировать от неблагоприятного воздействия различных климатических факторов необходимо не только фотогенерирующую часть этих устройств, но и многие вспомогательные узлы установок, такие, как дополнительные отражатели или концентраторы солнечного излучения.

В настоящее время КПД большинства наземных солнечных фотогенераторов из кремниевых солнечных элементов составляет 12–13 %, и это означает, что при плотности падающего на элементы потока солнечного излучения 800 Вт/м², характерной для средней полосы СССР в ясные летние дни, каждый квадратный метр фотогенерирующей части подобных устройств может обеспечить получение около 100 Вт электрической мощности. Сейчас испытываются самые разнообразные конструкции наземных фотогенераторов. Различаются они главным образом по способу герметизации солнечных элементов и по оптической схеме используемого концентратора солнечных лучей, если, конечно, в установке предусмотрено применение многократных потоков излучения, что позволяет резко уменьшить стоимость получаемой электроэнергии, ибо концентрирующее устройство, как правило, в десятки и сотни раз дешевле непосредственно самих солнечных элементов.

Покрытия наземных фотогенераторов защищают в отличие от космических батарей не отдельные солнечные элементы, а целые модули. Покрытия солнечных элементов на земле герметически плотно соединены с поверхностью элементов и предотвращают попадание на них влаги.

В наиболее простом случае изоляцию, предохраняющую элементы от воздействия внешней среды, создают с помощью оптически прозрачного герметизирующего соединения или заключения в оболочку, которая защищает и межэлементные контакты. В более прочных конструкциях применяют сравнительно сложный и дорогостоящий способ герметизации, при котором межэлементные контакты заключают в оболочку из более жесткого пластика или стеклянного покрытия сразу поверх мягкого материала.

Рис. 5.7. Стеклянные и полимерные защитные покрытия плоских модулей наземных фотогенераторов

а — круглые и прямоугольные солнечные элементы 1 приклеены каучуком 2 к внешней стеклянной пластине 3; модуль изолирован по торцам металлической оболочкой 4 и резиновым уплотнителем 5, соединяющим внешнюю пластину 3 с тыльной пластиной 6 из металла или пластика; б — в конструкции а солнечные элементы 1 залиты слоем каучука 2, заполняющим все пространство между внешней и тыльной пластинами модуля; в — в конструкциях а и б тыльная пластина заменена на слой гибкого пластика или герметика 7, обволакивающего солнечные элементы с тыльной стороны; г — перевернутый вариант конструкции в, где обволакивающий слой 7 выполнен из светостойкого прозрачного полимера и обращен к свету; д — двусторонняя полимерная защитная конструкция (прозрачный пластик с обеих сторон), где могут быть использованы прозрачные солнечные элементы с двусторонней чувствительностью; е — солнечные элементы 1 приклеены к несущей полимерной или металлической подложке 2 и заключены в заполненную сухим инертным газом стеклянную трубку 3, используемую для люминесцентных ламп; ж — верхняя поверхность трубки 3 конструкции е плоская и солнечные элементы приклеены к ней снизу прозрачным каучуком 4; з — круглые солнечные элементы большой площади вклеены прозрачным каучуком в пустые лампы-фары, из которых собран модуль фотогенератора

При применении прочных защитных слоев поверх мягкой оболочки предполагается перевернутая конструкция модуля: соединенные друг с другом солнечные элементы вначале прикрепляются к защитным стеклам рабочей поверхностью, затем тыльная сторона солнечных элементов герметизируется и весь модуль устанавливается на любую подходящую подложку.

Тепло, передаваемое подложке элементами, можно использовать в комбинированных фототермических системах для нагрева теплоносителя — воды или воздуха.

Прозрачные покрытия, сделанные из стекла, и подложки, выполненные из металла, более влагостойки, чем подложки и покрытия из пластика. В этом случае требуется соответствующим образом герметизировать края элементов. На рис. 5.7 и 5.8 показаны различные способы решения этих задач.

Рис. 5.8. Трубчатые защитные оболочки комбинированного фототермического коллектора с солнечными элементами

1 — отражающая металлическая пленка; 2 — теплопоглощающая поверхность; 3 — трубопровод с жидким или газообразным теплоносителем; 4 — полость, заполненная прозрачной кремнийорганической жидкостью; б — вакуумированная полость; 6 — прозрачное селективное покрытие с низким значением коэффициента излучения ε; 7, 9 — прозрачные стеклянные оболочки; 8 — монокристаллические или пленочные солнечные элементы (плоские или трубчатые)

Высокую влагопроницаемость пластических материалов можно свести к минимуму, используя большое число слоев из различных материалов. Конструкция многослойного модуля позволяет обеспечить более высокую стойкость материалов защитных покрытий к истиранию и удару и снизить уровень повреждений, возникающих в солнечных элементах при внешних механических воздействиях.

Материалами для покрытий могут служить стекла и пластики. Некоторые стекла обладают лучшей по сравнению с другими материалами сопротивляемостью атмосферным воздействиям. Однако стабильность свойств в условиях отрицательных атмосферных воздействий у высококачественных пластиков выше, чем у плохих сортов стекол. В настоящее время к материалам, стойким к воздействию окружающей среды, относятся пластики, изготовленные на основе фторсополимеров и кремнийорганических смол.

Полиэтилентерефталат и поликарбонат имеют среднюю, а полиэтилен, поливинилхлорид, целлюлоза, полистирол, натуральный каучук и нейлон — низкую устойчивость к атмосферным воздействиям. Большинство материалов можно модифицировать, добавляя в них антиозонаты, стабилизаторы для повышения стойкости к ультрафиолетовому излучению и другие добавки, которые могут повысить стойкость материалов к атмосферным воздействиям. Наиболее часто для изготовления защитных покрытий применяют фторсодержащие пленки, кремнийорганические лаки и каучуки, а также акрилаты, несмотря на относительно высокую стоимость этих полимерных материалов, и материалы из различных сортов органического стекла, в целом довольно устойчивые к атмосферным воздействиям, но заметно темнеющие под действием ультрафиолета Солнца. Накопление пыли и грязи на поверхности твердых материалов обычно невелико, и поэтому подобное воздействие мало влияет на светопропускание покрытий. Мягкие же материалы, например кремнийорганические каучуки различных марок, накапливают грязь в больших количествах, в результате чего потери по светопропусканию составляют от 20 до 60 % и их лучше использовать в качестве промежуточных соединительных слоев.

В наиболее эффективно действующих наземных установках мягкие материалы защищены более твердыми. Таким образом обеспечивается надежная и долговечная комбинированная система защитных покрытий, герметизирующая элементы,

Правильный выбор концентрирующей системы столь же благотворно сказывается на экономичности и эффективности работы наземного фотогенератора, как и создание прозрачных и светостойких оптических покрытий и герметизирующих оболочек.

Солнечный свет можно концентрировать, используя эффекты преломления и отражения. Преломление происходит в линзах, а отражение — в зеркалах. Линзы могут быть плосковыпуклые и двояковыпуклые. В последнее время широко используются плоские линзы Френеля (рис. 5.9). Поверхность линз бывает сферической и несферической. Несколько практических схем для собирания света при отражении показано на рис. 5.10.

Рис. 5.9. Преломляющие собиратели света

а — обычные оптические линзы со сферической или несферической поверхностями; б — плоские линзы Френеля со сферической или несферической поверхностями

Pис. 5.10. Отражающие собиратели света

а — параболическое зеркало, отражающее свет к оси в прямом направлении; б — в противоположном направлении; в, с — зеркала в форме профиля морской волны; г — плоские зеркала, расположенные под углом друг к другу; д — параболические зеркала Френеля

При преломляющем и отражающем способах собирания света можно использовать действительные или мнимые изображения. Элементы, проектирующие действительное изображение, уменьшают проекцию Солнца на плоскость изображения (фокальную плоскость) в соответствии с законами геометрической оптики. Концентраторы света, использующие мнимое изображение, просто сводят солнечные лучи, не создавая при этом изображения Солнца.

Отражающие и преломляющие компоненты устройств могут быть точечно-фокусирующие и линей-но-фокусирующие, независимо от того, действуют они по оптической схеме с мнимым или действительным изображением. Точечно-фокусирующие концентраторы называют также аксиальными, коаксиальными или трехмерными концентраторами. Линейно-фокусирующие концентраторы делятся на желобочные, линейные двумерные.

Точечно-фокусирующие концентраторы могут быть полностью осесимметричного (кругового) или многоугольного типов. Четырехсторонний тип концентратора часто используют в устройствах, состоящих из нескольких линз Френеля или зеркал квадратной или прямоугольной формы.

Концентраторы можно классифицировать также по числу применяемых ступеней собирания. На рис. 5.11 показаны два концентратора, имеющих две ступени собирания. В одной, известной также как система Кассегрена (названа по системе телескопа аналогичной конструкции), для собирания света используются два зеркала. Третий отражатель, не рассматриваемый как самостоятельная ступень собирания, служит для отведения в сторону размытых пучков, образующихся при отражении от несовершенной части оптической поверхности, например, образовавшихся при неточной установке оптической оси системы в направлении на Солнце. В других двухступенчатых системах используются для отражения одна внешняя и одна внутренняя поверхности. Внутреннее отражение, известное также как полное отражение, происходит, когда луч света пытается выйти из среды с высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, причем угол падения света иа границу двух сред достаточно большой.

Рис. 5.11. Двухступенчатые концентраторы типа Кассегрена (а) и Баранова — Уинстона (б)

1 — солнечные лучи;

2 — зеркало для сбора первичного пучка света;

3 — зеркало, отражающее вторичный пучок света;

4 — вторая ступень концентрации света (а — зеркало, б — волоконно-оптический элемент из стекла или пластика);

5 — солнечный элемент

В концентраторах солнечного света, в которых используется принцип преобразования длин волн, поступающая энергия внутри достаточно широкой полосы спектра Солнца преобразуется в энергию излучения узкого интервала длин волн, соответствующего наиболее высокой спектральной чувствительности солнечного элемента. Этот интервал длин волн, как правило, расположен вблизи красной границы фотоэффекта для данного полупроводникового материала, определяемой шириной его запрещенной зоны.

Преобразование длины волны излучения, падающего на батарею или элементы, может быть обеспечено, например, с помощью селективных излучателей или пленочного люминофора. Поверхность селективных излучателей покрывается материалом, способным испускать излучение в узком диапазоне длин волн, причем нагрев излучателя осуществляется с помощью концентратора солнечного света; диапазон длин волн, испускаемых селективным излучателем, как правило, выбирается вблизи энергии запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен солнечный элемент.

Активно исследуются фотолюминесцентные солнечные концентраторы, называемые также плоскопараллельными или плоскими концентраторами.

Солнечный свет, который падает на плоскую пластину, покрытую слоем люминофора, поглощается им. В процессе поглощения света падающие фотоны возбуждают молекулы люминофора (в этом качестве могут быть использованы и многие органические красители). При этом возникает новое излучение, но уже с другой длиной волны, характерной для данного люминофора. Переизлученная энергия остается внутри плоской пластины благодаря внутреннему отражению и после многократного отражения от плоских отражающих стенок попадает на солнечные элементы, установленные по периметру плоского прямоугольного концентратора.

Исследование процессов деградации параметров солнечных элементов и методы их стабилизации

Исходные характеристики солнечных элементов могут, к сожалению, заметно ухудшаться в процессе эксплуатации.

Повышение температуры приводит, как правило, к росту фототока и падению ЭДС, выходной мощности и КПД солнечных элементов, причем градиент падения мощности зависит от природы полупроводникового материала — для широкозонных материалов он мал, для узкозонных велик. У кремниевых солнечных элементов с повышением температуры на 100^o C мощность, генерируемая ими, падает на 45 %, а у солнечных элементов на основе арсенида галлия — на 25 % (напомним, что ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,02 эВ, арсенида галлия — 1,43 эВ).

Увеличение плотности падающего потока излучения в несколько раз может также привести к резкому уменьшению выходной мощности солнечных элементов, если последовательное сопротивление элементов сравнительно велико — около 1 Ом×см². Последовательное сопротивление обычных солнечных элементов составляет 0,5–0,6 Ом см², и их можно применять (без ухудшения электрических характеристик) в условиях 5—7-кратного увеличения плотности потока солнечного излучения, характерного для наземных условий средней полосы СССР (обычно 400–800 Вт/м²).

Различные способы уменьшения последовательного сопротивления, например путем создания частой контактной сетки на лицевой поверхности элементов с оптимизированными размерами полос, позволяют не только снизить его, но и более эффективно использовать возрастание плотности потока солнечного излучения, создаваемое чаще всего с помощью концентраторов света разнообразных конструкций. В ряде работ было показано, что значительное увеличение плотности падающего на солнечные элементы потока излучения приводит к росту КПД за счет возникновения полезных тянущих электрических полей в объеме полупроводника (если, конечно, при этом не происходит падения мощности из-за рассеяния тока при прохождении через элементы вследствие их значительного последовательного сопротивления). Экспериментальные исследования подтвердили этот вывод. При снижении последовательного сопротивления солнечных элементов до 0,1 Ом×см² максимальный КПД преобразования ими солнечной энергии наблюдался при 40—50-кратных потоках солнечного излучения. При снижении последовательного сопротивления до 0,01 и менее удается эффективно преобразовывать в электроэнергию потоки излучения, превышающие однократные солнечные в 500–700 раз.

Следует указать, что отмеченные выше зависимости выходной мощности солнечных элементов от интенсивности падающего света и температуры носят полностью обратимый характер (если, конечно, в процессе работы не произошло значительного перегрева элементов — до температур, превышающих предел работоспособности контактных слоев или покрытий, что обычно составляет 150–200^o С).

При эксплуатации как в космосе, так и на Земле солнечные элементы и полупроводниковые материалы, из которых они сделаны, подстерегает также опасность необратимых изменений. Особенно большое снижение выходной мощности солнечных элементов и батарей наблюдается при воздействии корпускулярного облучения — протонами и электронами радиационных поясов Земли, а также при многократном термоциклировании всей конструкции солнечных батарей при заходе в тень Земли и при выходе из нее. Значительные температурные напряжения, возникающие внутри солнечных элементов при термоциклировании из-за разницы в коэффициентах теплового расширения различных полупроводниковых слоев, образующих гетеропереходы, или контактных, просветляющих, защитных и полупроводниковых слоев (в случае как гомо-, так и гетеропереходов), приводят к механическому разрушению солнечных элементов, если величина этих напряжений превышает прочность отдельных слоев элементов или величину сил, удерживающих эти слои вместе.

Значительный опыт накоплен разработчиками разных стран в создании солнечных элементов и батарей, способных успешно противостоять отрицательному воздействию радиации и термоциклировании. В настоящее время удается изготавливать солнечные батареи таких конструкций, которые способны работать в условиях космоса и на Земле десятки лет без значительного снижения мощности.

Решить эту сложную проблему помогло создателям солнечных элементов понимание сложных и тонких физических процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и на их границе с другими слоями, входящими в состав солнечных элементов, при деградации их параметров под влиянием различных видов внешнего воздействия. Исследование этих процессов проводится в современных лабораториях с привлечением самых разных способов анализа структуры, состава, примесей и дефектов в материалах: электронной и оптической растровой микроскопии, вторично-ионной спектроскопии, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгеновского микроанализа, фото-, катодо- и электролюминесценции, емкостной спектроскопии глубоких уровней, инфракрасной спектроскопии и других.

Еще два вида воздействий, приводящих к необратимой деградации солнечных элементов, привлекли внимание исследователей в последние годы. Один из них вызывает деградацию, которая условно может быть названа химико-термической, второй — фотонную.

Химико-термическая деградация возникает, например, из-за влияния остаточной атмосферы космического корабля и выхлопных газов двигателей на параметры солнечных элементов. Не менее опасна для солнечных элементов наземных фотогенераторов и их оптических покрытий загрязненная газообразными щелочными и кислотными отходами атмосфера больших городов. Необычные химические реакции с участием свободных радикалов, происходящие при повышенной температуре на торцевых и свободных от покрытий поверхностях солнечных элементов, вызывают закорачивание электронно-дырочных переходов, коррозию контактов, потемнение покрытий.

Влияние фотонной деградации было не сразу обнаружено, поскольку его довольно трудно отделить от воздействия корпускулярной радиации и химико-термической деградации.

Длительное время считалось, что повреждающее воздействие самого солнечного излучения на солнечные элементы может выразиться лишь в потемнении оптических покрытий. Разработка светостойких многослойных покрытий, в которых верхний слой — стеклопленка с добавлением двуокиси церия — поглощает все ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0?36 мкм, позволила добиться уменьшения деградации элементов, вызываемой ухудшением оптических свойств покрытий, до весьма малых значений (0,5–2,5 %) даже в условиях непрерывной работы на борту космических аппаратов в течение нескольких лет.

В связи с этим для многих исследователей было неожиданностью обнаруженное явление ухудшения свойств самих элементов непосредственно под действием оптической части солнечного излучения. В ходе первых опытов, когда изучалось совместное воздействие солнечного света, корпускулярного облучения и температуры, выяснились некоторые важные особенности одновременного влияния нескольких повреждающих факторов на свойства полупроводниковых материалов и солнечных элементов. Такие опыты достаточно полно отражают реальные условия эксплуатации солнечных элементов как в космических, так и в наземных условиях.

Было показано, что солнечные элементы с низким содержанием кислорода в исходных пластинах кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, обладают высокой степенью фотонной деградации — снижение тока, вызванное интенсивным освещением этих элементов, может составлять 10–12 %. На основании результатов экспериментов, проведенных без освещения, подобные солнечные элементы считались более радиационно стойкими по сравнению с элементами на основе выращенного методом Чохральского кремния с относительно высоким содержанием кислорода. Возможно, что причина ухудшения свойств солнечных элементов из кристаллов бескислородного кремния связана с большой плотностью дислокаций в них. Интенсивное освещение приводит к освобождению и активации захваченных дислокациями точечных дефектов, в состав которых входит атом бора. Было установлено, что дополнительное введение кислорода и углерода оказывает стабилизирующее действие на поведение солнечных элементов при освещении, особенно если общее содержание атомов углерода и кислорода в кремнии превышает 10¹⁷ см^-3.

В процессе фотонной деградации при внеатмосферной плотности потока падающего солнечного излучения насыщение наступает, как правило, после освещения в течение 20–40 ч при температуре, близкой к комнатной, а при повышении температуры элементов до 50–60^o C и через более короткое время.

При освещении солнечного элемента или приложении к нему высокого напряжения смещения в прямом направлении для элементов п⁺— р-типа (верхний освещаемый n-слой получен диффузией фосфора) наблюдается уменьшение выходной мощности и заметное снижение длинноволновой чувствительности, а для элементов p-n-типа характерно (при наличии в спектре падающего света излучения с длиной волны 0,35— 0,45 мкм) обратное явление — увеличение выходной мощности и спектральной чувствительности в коротковолновой области. Ухудшение собирания носителей из базового слоя солнечных элементов п-p-типа обусловлено наличием рекомбинационного уровня, расположенного на 0,37 эВ ниже зоны проводимости. Обычно этот уровень электрически нейтрален, но при большой световой или электрической инжекции носителей заряда в материал становится активным. Возникновение этого рекомбинационного уровня связано с появлением в кремнии комплекса дефекта решетки с атомом серебра или, возможно, кластерных образований (ряда нарушенных атомов). Предотвращение попадания атомов серебра в базовый слой кремния, удаление механически поврежденного поверхностного слоя кремния до диффузии и проведение операции диффузии легирующей примеси при температуре 875⁰C и ниже позволяют значительно уменьшить эффект фотонной деградации. Например, для солнечных элементов, в процессе изготовления которых диффузия проходила при температуре 950^oC, фотонная деградация (в условиях облучения светом вольфрамовой галогенной лампы с плотностью потока излучения 1000 Вт/м²) составляет от 3 до 6 %, при температуре диффузии 900^o C — от 1 до 3 %, при 875⁰ C — всего 0,5 %.

Фотонную деградацию особенно необходимо учитывать при создании эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, которые должны отличаться высокой стабильностью свойств.

Нет сомнений, что обнаруженные сравнительно недавно новые типы деградации солнечных элементов подвергнутся тщательному и всестороннему изучению, будут найдены способы их предотвращения, и солнечные элементы сохранят за собой справедливое определение одного из самых эффективных, стабильных и надежных источников электроэнергии, полезно преобразующих излучение Солнца в удобную для человека электрическую форму энергии.