Разработка технологии производства многопереходных солнечных элементов с повышенной радиационной стойкостью. Достигнутый уровень ВАХ солнечных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка технологии производства многопереходных солнечных элементов с повышенной радиационной стойкостью. Достигнутый уровень ВАХ солнечных элементов

А.Ф. Скачков

Основным видом бортовых энергоустановок на подавляющем большинстве существующих и разрабатываемых в нашей стране и за рубежом космических аппаратов являются солнечные батареи с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями, которые уже более 40 лет успешно обеспечивают решение разнообразных задач космическими средствами.

В современных условиях происходит постоянное возрастание электрической мощности, потребляемой бортовыми системами отдельных орбитальных космических аппаратов в связи с расширением круга задач, решаемых космическими средствами, и повышением требований к качеству их выполнения, а также необходимостью увеличения сроков активного существования солнечных батарей дорогостоящих космических аппаратов с целью снижения темпов роста затрат на финансирование космических программ, что приводит к необходимости улучшения эффективности и радиационной стойкости солнечных элементов.

Высокоэффективные многопереходные солнечные элементы. В настоящее время в космических энергоустановках в качестве фотопреобразователей широко применяются трехкаскадные солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge.

С 2007 года на предприятии ОАО «Сатурн» ведется разработка технологии производства изготовления солнечных элементов, которая включает эпитаксиальное осаждение полупроводниковых слоёв на германиевые подложки для изготовления структуры трехкаскадных солнечных элементов, а также проведение дальнейших постростовых операций.

На рис. 1 представлены основные этапы развития технологии производства, напрямую связанной с КПД солнечных элементов.

солнечный батарея полупроводниковый фотоэлектрический

Рис. 1. Увеличение КПД СЭ с развитием технологии производства на предприятии ОАО «Сатурн».

В 2011 году была изготовлена первая БС площадью 38 м², полностью укомплектованная отечественными трехкаскадными фотопреобразователями собственного производства. В последующий период проводились работы по увеличению эффективности фотопреобразования солнечных элементов, и, начиная с 2013 года, в активную фазу перешли работы по повышению радиационной стойкости солнечных элементов.

На рис. 2 представлено распределение по эффективности трехкаскадных солнечных элементов.

Рис. 2. Распределение по эффективности внутри одной партии солнечных элементов производства ОАО «Сатурн».

Солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge с повышенной радиационной стойкостью. Действие космической радиации на фотопреобразователи приводит к деградации электрических параметров, за счет уменьшения времени жизни и диффузионной длины носителей зарядов. Это обусловлено возникновением допол-нительных центров рекомбинации под действием радиации в результате смещения атомов полупроводникового материала в междоузлие [1, 2]. Наибольшей радиационной деградации в структуре солнечного элемента подвержен средний p-n переход GaAs, поскольку он имеет значительную толщину базы ~ 3,5 мкм, и при образовании в результате радиационного воздействия, дефектов кристаллической решетки увеличивается доля носителей, не достигающих области разделения зарядов.

В работе [3] была рассмотрена возможность уменьшения толщины базы однокаскадного солнечного элемента GaAs без потери по генерируемому в нем току. Было показано, что использование распределенного брэгговского отражателя позволяет компенсировать потери по току, вызванные увеличением доли прошедшего сквозь элемент излучения.

Брэгговский отражатель представляет собой слоистую структуру, в которой показатель преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении. Брэгговский отражатель в структуре СЭ должен отражать прошедшее сквозь средний элемент GaAs излучение обратно в p-n переход, т. е. обеспечивать максимальное отражение в определенном диапазоне длин волн. Это обеспечивается путем подбора толщин слоев брэгговского отражателя, а также коэффициентов преломления.

На рис. 3 представлена спектральная характеристика двух верхних p-n пере-ходов трехкаскадных солнечных элементов при наличии и отсутствии брэгговского отражателя.

В сентябре 2012 года проводились предварительные радиационные испытания трехкаскадных солнечных элементов со встроенным брэгговским отражателем, которые продемонстрировали увеличение радиационной стойкости более чем на 11 %, в сравнении с фотопреобразователями без такого отражателя.

На рис. 4 приведены результаты предварительных сравнительных испытаний солнечных элементов с брегговским отражателем и без него в зависимости от флюенса электронов.

Рис. 3. Внешний квантовый выход верхнего и среднего p-n переходов трехкаскадного СЭ с толщиной базы среднего элемента 1700 нм: 1 - СЭ без брэгговского отражателя, 2 - с внутренним брэгговским отражателем.

Рис. 4. Зависимость коэффициентов относительной деградации КПД СЭ от флюенса электронов с энергией 1 МэВ: 1 - СЭ с брэгговским отражателем, 2 - СЭ без без брэгговского отражателя.

В настоящий момент проводятся квалификационные испытания улучшенных трехкаскадных солнечных элементов с брэгговским отражателем и с КПД 28 - 29 %. Также ведутся работы по дальнейшему увеличение эффективности фотопреобра-зования многокаскадных солнечных элементов.

Литература

1. Васильев А.М., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971. 246 с.

2. Кулаков В.М., Ладыгин Е.А. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. М.: Сов. радио, 1980. 224 с.

3. Andreev V., Komin V. High-efficiency AlGaAs-GaAs solar cells with internal Bragg reflector. A.F. Ioffe Physsico-Technical Inst., 1994, P. 1894-1897.

Размещено на Allbest.ru