История электротехники

Широкое внедрение СБ в космическую автономную энергетику потребовало решения ряда серьезных научно-технических проблем [8.44–8.48].

Помимо чисто физической проблемы создания эффективного полупроводникового материала для солнечных элементов (СЭ) необходимо было разработать новые конструкционные материалы, такие как сверхтонкие стеклянные покрытия, оптически прозрачные полимерные материалы, материалы для несущей подложки, а также технологии их соединения.

Сложность решения проблемы обусловливалась весьма жесткими условиями длительной эксплуатации в открытом космосе. Кроме устойчивости к механическим воздействиям (ударным и вибрационным) на стадии запуска СБ должны были сохранять электрофизические параметры в условиях глубокого вакуума, при мощном радиационном облучении и резком термоциклировании. Впоследствии возникли проблемы с электризацией и наведенными потенциалами, экранизацией электромагнитного воздействия мощных батарей на аппаратуру космического корабля, а также защитой их от собственной атмосферы корабля (газов двигателей). Ряд требований носил противоречивый характер. Так, например, для достижения высокого КПД преобразования требовался кремний с низким удельным сопротивлением (порядка 10 Ом/см), в то время как для обеспечения радиационной стойкости оптимальным был высокоомный кремний (порядка 100 Ом/см); для защиты фотоэлементов и обеспечения минимальной массы требовалось сверхтонкое стеклянное оптически прозрачное покрытие, а для радиационной защиты — более толстое стекло, содержащее примеси тяжелых металлов.

Важнейшими этапами в развитии солнечной энергетики в последние годы являлись [8.41]:

1. Создание кремниевых СЭ, прозрачных в инфракрасной области спектра, что обеспечило понижение равновесной рабочей температуры СБ при их работе в космическом пространстве на 15–20 °С и соответственно повышение удельной мощности на 10%. Дополнительным преимуществом явилось снижение диапазона термоциклических нагрузок, которым подвергаются батареи при работе в космосе, что повысило их надежность и ресурс.

Прозрачные в инфракрасной области спектра СЭ на специальных каркасах успешно использовались на космических аппаратах серии «Космос». Полученная при этом весьма существенная для эксплуатации равновесная рабочая температура СЭ на уровне 48–52°С явилась значительным достижением в мировой практике.

2. Создание СЭ с двусторонней чувствительностью с целью использования отраженного от Земли излучения, особенно на низких орбитах.

Используя специальную полупроводниковую структуру (n⁺—p—p⁺) с нанесением на фронтальную и тыльную поверхности симметричных гребенчатых контактов, удалось получить высокую эффективность преобразования светового излучения, поступающего одновременно или попеременно на обе поверхности. По равновесной температуре преимущества двусторонних прозрачных для инфракрасного излучения элементов также сохраняются.

Эксплуатация таких элементов на низкоорбитальных станциях «Салют-2» и «Салют-5» (высота орбиты 350 км) показала, что имеется дополнительный прирост тока СБ на 17–20%. Двусторонняя СБ на аппарате «Космос-1870», выведенном на орбиту в 1987 г., дала средний прирост на 12%.

При толщине двустороннего СЭ менее 150мкм возможно получение практически одинаковой чувствительности СЭ с обеих сторон. Учитывая среднее значение отраженного от Земли прямого солнечного излучения 28–34%, можно ожидать такого же уровня мощности солнечных панелей низкоорбитальных аппаратов, как у действующих на орбитах до 1500 км.

Указанные разработки были выполнены в России значительно раньше зарубежных и имеют широкие перспективы применения для космических аппаратов нового поколения.

3. Разработка СЭ и батарей на основе арсенида галлия, основные преимущества которых по сравнению с кремниевыми: большой начальный КПД (20%), вдвое меньшие потери при возрастании рабочей температуры, существенно большая радиационная стойкость и работоспособность

при температуре 150 °С. В совокупности эти факторы делают арсенид-галлиевые солнечные панели предпочтительными для использования на КА для широкого класса орбит, особенно для аппаратов с большим сроком активного существования. Преимущества арсенид-галлиевых панелей во многих случаях преобладают над их недостатками: большими по сравнению с кремнием удельной массе и начальной стоимостью. Привлекателен конечный выигрыш, который может получить потребитель по основным характеристикам, используя арсенид-галлиевые панели в течение длительного срока на аппаратах различного назначения.

Впервые в мире солнечная панель из арсенид-галлия площадью 1 м была разработана в Государственном научно-производственном предприятии «Квант» (ГНПП «Квант») в 1967 г. и применена на КА при полете к планете Венера и обеспечила при температуре 120 °С заряд блока химических батарей спускаемого на поверхность планеты аппарата непосредственно перед началом спуска. В дальнейшем на все автоматические станции, направляемые к Венере, стали устанавливать панели из арсенида галлия. Существенным этапом в развитии работ по арсенид-галлиевым солнечным панелям явилась разработка панели для автоматических самоходных аппаратов, действующих на поверхности Луны, «Луноход-1» и «Луноход-2» (1972 г.). Работая в экстремальных условиях на лунной поверхности при рабочих температурах до 150 °С в течение многих лунных суток, данная панель полностью удовлетворяла по энергетике программу исследований, при этом был получен наивысший результат того времени по удельной мощности 1000 Вт/м² при температуре 140–150 °С. Наиболее крупной разработкой в области арсенид-галлиевых панелей является СБ для орбитальной станции «Мир». За 8 лет летных испытаний арсенид-галлиевые панели, имевшие начальную выходную мощность 10 кВт, обнаружили высокую стабильность характеристик (суммарная средняя деградация не более 3,5% в год) в сложнейших условиях эксплуатации: при наличии существенных затенений, воздействии двигателей многочисленных стыкуемых аппаратов и собственной воздушной атмосферы станции.

4. Разработка тонкопленочной технологии СЭ на основе аморфного кремния, которые относятся к новому поколению панелей СБ для энергоснабжения космических аппаратов, действующих на различных орбитах. Основная цель — создание ультралегких панелей с максимальным отношением вырабатываемой мощности к массе, существенно превышающим достигнутые на сегодня или планируемые результаты на других типах СБ. Такие ультралегкие панели СБ можно будет применять для широкого класса орбит, в особенности в случаях, когда определяющей является стоимость запуска космического аппарата, в частности для геостационарных орбит. Другой важнейшей особенностью данного направления является возможность создания солнечных панелей рулонного типа, обладающих максимальной плотностью упаковки и наибольшим отношением вырабатываемой мощности к объему, занимаемому солнечными панелями. Эта особенность позволяет считать предполагаемый тип солнечных панелей перспективным также для низкоорбитальных полетов.

Наконец, в силу принципиальных особенностей технологии, в которой активная структура осаждается непосредственно на подложку из газовой фазы, открываются возможности организации полностью автоматизированного цикла, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости рулонных аморфнокремниевых батарей по сравнению с монокристаллическими аналогами.

Наибольших успехов в этой области добилась фирма ЕСД («Energy Conversion Di-vices»), США, создавшая два завода по производству аморфных СБ (в первую очередь для наземного использования).

ГНПП «Квант» и фирма ЕСД учредили в 1990 г. совместное предприятие «Совлакс», особенностью продукции которого является использование впервые в мировой практике двух-, трехпереходных каскадных структур СЭ, что создает предпосылки для получения максимального КПД и стабильности характеристик.

К числу перспективных направлений исследований по созданию новых СЭ следует отнести также работы по использованию в качестве фотоэлектрического материала фосфида индия. СЭ на этой основе работоспособны при температуре до 120°С и обладают приблизительно на 15.% большей радиационной стойкостью, чем арсенид-галлиевые. Возникающие под действием радиации дефекты в объеме этого материала, снижающие значения генерируемого СЭ тока, относительно легко ликвидируются в процессе эксплуатации естественным образом под действием солнечной радиации при температуре 80–100 °С. В то время как организовать отжиг кремниевых или арсенид-галлиевых батарей, для чего требуются температуры 450 и 250 °С соответственно, в процессе эксплуатации практически невозможно.

Таким образом, основными тенденциями в совершенствовании СЭ в настоящее время являются:

1) переход на тонкопленочные структуры на базе аморфного кремния, фосфида индия, гетероструктур на основе диселенидов индия и меди, поликристаллических пленок теллурида кадмия и др., чем достигается существенное улучшение массогабаритных параметров и повышение радиационной стойкости;

2) построение каскадных композиций, что позволяет избирательно и эффективно преобразовывать все участки солнечного спектра излучения, обеспечивая высокий результирующий КПД.

В частности, американская фирма «Spectrolab Inc.» разработала и установила на спутниках СБ мощностью 10 кВт, построенную на СЭ, с КПД 21,6%. Эти элементы имеют двухслойную структуру. Наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, он преобразует коротковолновую часть спектра. Внутренний слой из арсенида галлия использует длинноволновую часть. Подложка элемента изготовлена из германия. К числу ведущих зарубежных фирм в области разработки новых солнечных элементов помимо упомянутой фирмы следует отнести «Sharp» (Япония), «Telefunken» (Германия).