Солнечные элементы

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 ?<=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_?з 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 (?=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 ?, отражающая распределение солнечной энергии по спектральным интервалам, в остальной части спектра шкала ? 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 ? благодаря двуслойным или трехслойным покрытиям почти достигает уровня ? черного тела, то получить теоретически возможное (без уменьшения КПД) низкое значение ?_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 ?_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 ?_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.