Текст книги "Солнечные элементы"

Автор книги: Марк Колтун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)

Теоретические исследования, направленные на развитие и усовершенствование модели объемного фотоэффекта в полупроводниковых структурах, рассчитанной применительно к преобразованию солнечной энергии, показали, что если для создания солнечного элемента выбирать варизонную структуру, в которой максимальное значение ширины запрещенной зоны (на поверхности) соответствует крайнему коротковолновому участку солнечного спектра, а минимальное (у разделяющего барьера вблизи тыльной поверхности) – крайнему длинноволновому, а также обеспечить большое отношение подвижностей электронов и дырок, то в таком элементе возможно полное поглощение и преобразование энергии фотонов солнечного излучения в электроэнергию. Таким образом, ограничение предельного значения КПД преобразования оптического излучения Солнца полупроводниковыми солнечными элементами практически было снято, указывалась даже возможность достижения КПД, превышающего 60 %.

В настоящее время намечен и экспериментально исследован ряд новых направлений, развитие которых может привести к получению на практике высокого КПД преобразования солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию.

Из теории следует (и подтверждается экспериментально), что КПД солнечного элемента растет с увеличением интенсивности освещения. В объеме полупроводника возникает ЭДС Дембера, связанная с разницей в подвижности рожденных светом электронов и дырок и их взаимодействием. Если свет падает на р⁺- слой в солнечном элементе с р⁺ – p – n+-структурой, то ЭДС Дембера совпадает по знаку с фото-ЭДС, генерируемой изотипным барьером, а когда освещается верхний разделяющий барьер п⁺—р, ЭДС направлены в противоположные стороны. В связи с этим для получения повышенных значений U_x.x полезно освещать двусторонние элементы более интенсивно с тыльной стороны (при больших световых потоках). Число избыточных носителей заряда, возникающих при высокой интенсивности освещения, значительно превосходит их тепловое равновесное количество, определяемое степенью легирования полупроводника, что приводит к уменьшению электрического сопротивления базовой области солнечного элемента за счет явления фотопроводимости. При очень больших (тысячекратных) освещенностях в солнечных элементах может быть получено значение U_x.x, близкое к потенциалу запрещенной зоны данного полупроводника, выраженному в вольтах. Увеличение КПД солнечных элементов при повышении интенсивности падающего солнечного потока со спектром AM1 может быть представлено в виде полученных расчетным путем зависимостей максимального КПД от ширины запрещенной зоны полупроводника при температуре 300 К (рис. 4.12).

Таким образом, как показывают данные, приведенные на рис. 4.12, только за счет повышения плотности потока солнечного излучения в 1000 раз КПД солнечного элемента из оптимального полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны около 1,4 эВ возрастает до 35 % (см. рис. 4.12, кривая 7).

Результаты этих расчетов вдохновили многих исследователей на создание наземных фотогенераторов с солнечными элементами, работающими при весьма высоких концентрациях потока, достигающих уже сейчас уровня 400—500-кратных (с перспективой дальнейшего увеличения до 2000—2200-кратных по сравнению с обычным солнечным).

Если это направление повышения КПД солнечных элементов требует решения инженерных и конструкторских задач, связанных с отводом большого количества избыточной теплоты для сохранения температуры элементов на достаточно низком уровне, а также с созданием долговечных концентраторов солнечной энергии со светостойкими покрытиями, то два других перспективных способа резкого увеличения КПД преобразования солнечного излучения с помощью солнечных элементов находятся еще на стадии физических исследований в условиях лаборатории. Внешне эти два пути прямо противоположны.

Первый из них требует резкого сужения широкополосного солнечного спектра и затем превращения этого спектрально преобразованного потока излучения в электрическую энергию с помощью солнечного элемента с p-n-переходом в гомогенном материале, ширина запрещенной зоны которого точно подходит по энергетическому зазору к спектру направленного на него потока излучения. При сужении спектра КПД солнечного элемента, как известно, сильно возрастает, поскольку исчезают потери на нефотоактивное поглощение в длинноволновой части спектра и на тепловое рассеяние избыточной энергии коротковолновых фотонов.

Второй путь связан с созданием каскадной системы из нескольких солнечных элементов, прозрачных в длинноволновой области спектра за краем основной полосы поглощения, причем каждый из них будет эффективно преобразовывать соответствующую часть падающего излучения, в результате чего перекрывается весь спектральный интервал солнечного излучения и тем самым как бы резко расширяется спектральная чувствительность солнечного элемента.

Сузить широкополосное солнечное излучение можно различными путями, например направив концентрированный солнечный поток на теплоприемник, выполненный в виде модели черного тела с селективным термостойким излучателем, покрытым окисью эрбия, преимущественно излучающим в области спектра от 1 до 2 мкм. Солнечные элементы из германия или из кремния будут преобразовывать такой спектрально суженный (практически без потерь) поток солнечного излучения с КПД выше 25 %. Для солнечных элементов с большей шириной запрещенной зоны, например, из арсенида галлия с гомо– или гетеропереходом, следовало бы разработать селективный тепловой излучатель более коротковолнового участка спектра, что позволило бы получать в эксперименте еще большие значения кпд.

Для сужения солнечного спектра могут быть использованы полупроводниковые светодиоды на основе гетероструктур в арсениде галлия, преобразующие с почти 100 %-ным квантовым выходом коротковолновое излучение в длинноволновое, отвечающее по энергии ширине запрещенной зоны гомогенного арсенида галлия. Академиком Ж. И. Алферовым и его сотрудниками было предложено совместить в одном монолитном многослойном солнечном элементе такую переизлу-чающую структуру с преобразователем оптического излучения в электроэнергию на основе гетероструктуры твердый раствор алюминия в арсениде галлия – арсенид галлия.

Энергетические зонные диаграммы различных солнечных элементов на основе арсенида галлия представлены на рис. 4.13.

В случае переизлучающей структуры между двумя областями окна-фильтра область, обращенная к свету (область 2), имеет состав Al₀,₈Ga₀,₂As, а переизлучающая структура (область 4) – состав Al_0,1Ga_0,9As с постепенным увеличением (область 3) содержания алюминия (до 0,3) по мере приближения к р – n-переходу в арсениде галлия (область 7). В такой структуре спектр фоточувствительности определяется тонкой (толщина менее 1 мкм) верхней областью 2 широкозонного окна-фильтра, а сопротивление растекания снижается благодаря сравнительно толстой (толщина 20–30 мкм) внутренней области 3 окна-фильтра, прозрачной для длинноволнового люминесцентного излучения, испускаемого переизлучающей структурой 4 к р-n-переходу в арсениде галлия (область 7) после поглощения солнечного излучения.

Солнечные элементы с переизлучающей структурой между областями окна-фильтра особенно подходят для преобразования солнечного излучения очень высокой интенсивности, ибо имеют широкий спектральный диапазон чувствительности и низкое последовательное сопротивление. В ходе исследований были изучены световые вольт-амперные характеристики солнечных элементов на основе арсенида галлия с гетеропереходом и переизлучающей структурой для различных степеней концентрации солнечного потока (вплоть до 2570-кратной). Максимальная электрическая мощность, снимаемая с нагрузки к одному из таких элементов диаметром 1 см, составила при измерениях в наземных условиях 13,5 Вт. Следовательно, для получения более 100 Вт электрической мощности требуется всего восемь таких элементов с концентраторами, в то время как ту же электрическую мощность в наземных условиях от солнечных элементов высокого качества обычной конструкции обеспечивает плоская панель площадью не менее 1 м² (более 10 тыс. элементов площадью 1 см² каждый).

Очевидно, что затраты, связанные с трудоемкой технологией изготовления новых солнечных элементов сложной многослойной структуры, полностью себя оку-пят, и, возможно, что при широком применении таких элементов стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных элементов, снизится на два-три порядка и приблизится к стоимости электроэнергии от традиционных источников (тепловые электростанции, гидроэлектростанции).

После разработки эффективных гомо– и гетероструктур на кремнии и арсениде галлия возник интерес к созданию из них каскадных солнечных элементов. Электрическое соединение элементов в каскаде влечет за собой определенные технологические и конструктивные усложнения, в связи с чем были сделаны попытки получить каскадные элементы в единой монолитной структуре, создаваемой последовательным выращиванием с помощью жидкостной, газовой или молекулярной эпитаксии слоев на подложке из арсенида галлия, например, как это показано на рис. 4.14. Верхний (2) и нижний (4) солнечные элементы в такой двухкаскадной системе соединяются последовательно с помощью туннельного п⁺—p⁺-перехода из AIGaAs (см. рис. 4.14, область 5). Экспериментально полученная в одной из зарубежных работ подобная структура генерировала высокое U_x.x (около 2,2 В), но сравнительно низкий ток, и КПД не превышал уровня 10–15 %, вероятно, из-за довольно большого сопротивления туннельного перехода (0,58 Ом).

Высокое качество полученных туннельных переходов позволяет ожидать новых результатов на пути создания монолитных каскадных солнечных элементов, и в последнее время появились сообщения о росте КПД таких элементов.

Значительно больших успехов добились исследователи, использующие два или три солнечных элемента, расположенных перпендикулярно друг другу. Солнечное излучение концентрируется с помощью линзы Френеля и падает на одно или два многослойных ди-хроических зеркала, которые расщепляют спектр на отдельные участки, направляя к каждому элементу излучение того спектрального состава, в котором данный элемент имеет максимальную чувствительность (рис. 4.15).

Для практической реализации таких систем большое значение имеет не только КПД отдельных солнечных элементов (причем они должны возможно более резко отличаться по области спектральной чувствительности), но и высокое качество, а также стабильность параметров (при длительном непрерывном освещении) применяемых дихроических зеркал, которые, как правило, изготавливаются нанесением в вакууме 17–19 (или более) чередующихся прозрачных пленок ZnS (показатель преломления n=2,3) и Na₃AlF₆ (n=1,35). Излучение, пропущенное зеркалом, проходит к солнечному элементу на основе арсенида галлия, а отраженное – к кремниевому элементу (см. рис. 4.15).

Рис. 4.14. Расположение слоев в монолитной каскадной структуре

1 – подложка из монокристаллического арсенида галлия n-типа;

2 – солнечный элемент из арсенида галлия с p-n-переходом в гомогенном материале; 3 – туннельный переход из сильнолегированного твердого раствора AlGaAs; 4 – солнечный элемент с гетеропереходом AlGaAs – GaAs и p-n-переходом в арсениде галлия; 5 – широкозонное окно-фильтр

Рис. 4.15. Каскадная система с двумя солнечными элементами и одним дихроическим зеркалом (а) и с тремя солнечными элементами и двумя дихроическими зеркалами (б)

1–3 – солнечные элементы; 4 – линза Френеля; 5–7 – дихроические зеркала

Двухкаскадная система с дихроическим зеркалом при 165-кратной концентрации наземного солнечного излучения с плотностью потока 894 Вт/м² (спектр падающего излучения соответствовал условиям AM1,23) характеризуется, как показано в одной из работ, следующими параметрами солнечных элементов, измеренными при температуре обоих элементов 30^o С (водяное охлаждение):

* F — коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики солнечного элемента.

Полученный суммарный КПД двухкаскадной системы, как видно, составляет 28,5 %.

Улучшение качества дихроических зеркал и отдельных солнечных элементов дает возможность получить в таких системах с расщеплением спектра суммарный КПД 30–32 % при средних (50—100-кратных) и около 40 % при высоких (более 1000) концентрациях солнечного излучения.

Для создания каскадных систем с дихроическими зеркалами лучше всего использовать следующие полупроводниковые материалы: для E_g=0,7 эВ: Ge; для E_g= 1,1 эВ: Si, In_xGa_1-xAs, GaAl_1-xSb_x, Ga_yIn_1-yAs_1-xP_x, Al_yGa_1-yAs_1-xSb_x; для E_g=1,4 эВ: GaAs; для E_g=1.7 эВ: Al_xGa_1-xAs, GaAs_1-xP_x, Al_yGa_1-yAs_1-xSb_x.

Следует отметить, что системы с дихроическими зеркалами избавляют разработчиков элементов от необходимости решать сложную проблему, возникающую при изготовлении монолитных каскадных элементов, получаемых эпитаксиальным наращиванием слоев, – сочетать в каскадном элементе слои с близкими постоянными кристаллической решетки и коэффициентами термического расширения.

В будущем, возможно, вообще отпадет необходимость в использовании дихроических зеркал при применении для преобразования солнечного излучения и одновременного расщепления спектра солнечных элементов (см. с. 119), прозрачных в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения с высоко-отражающим металлическим покрытием или зеркалом на тыльной поверхности.

Глава 5

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ

И НАЗЕМНЫЕ ФОТОГЕНЕРАТОРЫ

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»