ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2000 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к области физики процессов преобразования энергии, а именно к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую на основе полупроводникового фотопреобразователя.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в автономном режиме в солнечных батареях космических аппаратов для обеспечения электроэнергией на высотах более 10 тыс. км в условиях движения по орбитам, проходящим через радиационные пояса Земли и межпланетное пространство.

Изобретение может быть также использовано в наземных солнечных батареях для автономных энергетических установок, работающих в условиях высокого радиационного фона, например в условиях эксплуатации на урановых разработках и в районах с радиационным загрязнением.

Известны устройства преобразования различных видов энергии в электрическую, например тепловой энергии (кн. Прямое преобразование энергии. Пер. с англ. под ред. чл.-корр. АН СССР Лидоренко Н.С. - М.: Мир, 1975, с. 104-130).

Недостатками указанных устройств является низкий ресурс преобразователей и необходимость регулярного возобновления источников тепловой энергии. Указанные недостатки ограничивают возможность использования этих устройств для электроснабжения космических аппаратов и ограничивают автономность и ресурс функционирования космического аппарата.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый фотопреобразователь солнечной энергии для космических аппаратов, содержащий пластину полупроводника из кремния, на тыльную поверхность которой нанесен слой припоя, а на лицевую рабочую поверхность - металлические токосъемные контакты из серебра и слой кремнийорганического клея, посредством которого к пластине прикреплено защитное покрытие из щелочесодержащего боросиликатного стекла толщиной от 0,17 до 1,5 мм (Справочник по проектированию солнечных батарей. Пер. с англ. под ред. проф. Колтуна М.М. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 103-104, 119).

Недостатками прототипа являются: низкий ресурс в условиях радиационного воздействия электронов космического излучения и высокая скорость радиационной деградации, что может привести к сокращению срока службы солнечных батарей, а также загрязнение поверхности защитного покрытия.

Кроме того, защитное покрытие выполнено из щелочного боросиликатного стекла, поверхность которого является гидрофильной, т.е. на ней образуется пленка из атмосферной влаги. На этой пленке скапливается пыль, а в условиях космического полета на поверхность такого защитного покрытия попадают фрагменты органических соединений из собственной атмосферы космического аппарата. Ультрафиолетовое и ионизирующее космическое излучение закрепляет пленку на поверхности покрытия, а разреженная среда (вакуум), окружающая космический корабль, обеспечивает испарение влаги. В результате поверхность защитного покрытия, содержащая указанную пленку, снижает его оптическую прозрачность и, как следствие, ослабляет и рассеивает падающий на полупроводниковую пластину поток солнечной энергии в оптическом диапазоне длин волн.

Необходимо также отметить, что щелочное боросиликатное стекло не обладает свойством образовывать сильное внутреннее электрическое поле под действием ионизирующего излучения, что может сказаться на радиационно-защитных свойствах защитного покрытия.

В связи с указанными недостатками известный полупроводниковый фотопреобразователь, по нашему мнению, не может иметь необходимой радиационной стойкости при эксплуатации более 3-х лет в условиях радиационных поясов Земли.

Технический результат изобретения выражается:
- в повышении ресурса солнечной батареи в условиях радиационного воздействия электронного излучения более чем в 2 раза;
- в снижении скорости радиационной деградации полупроводникового фотопреобразователя в 1,5 раза;
- в получении устойчивого во времени внутреннего электрического поля;
- в возможности снижения загрязнения защитного стеклянного покрытия.

В основу изобретения положена задача создания полупроводникового фотопреобразователя солнечной энергии в электрическую для космических аппаратов, где введенные элементы имели бы конструкцию, позволяющую при эксплуатации изобретения в условиях космического полета в радиационных поясах Земли обеспечить высокую радиационную стойкость фотопреобразователя к воздействию ионизирующего излучения и необходимый ресурс энергоснабжения космического аппарата для создания автономного источника электрической энергии, отвечающего требованию длительного более 3-х лет функционирования в условиях радиационных поясов Земли на высотах более 10 тыс. км.

Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом фотопреобразователе солнечной энергии для космических аппаратов содержится пластина полупроводника, на тыльную поверхность которой нанесен слой припоя, а на лицевую рабочую поверхность пластины нанесены металлические токосъемные контакты и слой кремнийорганического клея, посредством которого к пластине прикреплено защитное стеклянное покрытие, а согласно изобретению защитное покрытие выполнено из бесщелочного алюмофосфатного стекла с возможностью образования внутреннего электрического поля под действием ионизирующего излучения, при этом на внешнюю поверхность защитного покрытия нанесена гидрофобная пленка толщиной 0,5-15 мкм.

Таким образом, в изобретении предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, так как влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Так, например, в предпочтительном варианте выполнения устройства на внешнюю поверхность защитного покрытия нанесена гидрофобная пленка толщиной 0,5-15,0 мкм. Указанная толщина достаточна для выполнения поставленной цели: для предотвращения соприкосновения атмосферной влаги с гидрофильной поверхностью стекла. Толщина пленки менее 0,5 мкм может привести к нарушению сплошности пленки, а толщина более 15 мкм - к ее отслаиванию.

Нанесение различных тонких пленок на материалы известно (кн. Тонкие пленки. Т. 1-6, 1983). Однако в предлагаемом изобретении пленка является гидрофобной и она наносится на лицевую сторону защитного стеклянного покрытия фотопреобразователя, что применяется в технологии изготовления солнечных элементов впервые. В результате использования гидрофобной пленки появилась возможность устранить появление на поверхности стекла влаги, образующейся из атмосферного воздуха с последующим загрязнением лицевой поверхности стекла как в наземных условиях хранения, так и в условиях эксплуатации, что позволяет сохранить исходные оптические свойства защитного покрытия.

Целесообразно, что защитное покрытие выполнено из бесщелочного алюмофосфатного стекла с возможностью образования внутреннего электрического поля в покрытии под действием ионизирующего излучения, что позволяет повысить ресурс солнечной батареи в условиях радиационного воздействия электронов с энергией в диапазоне 0,1-3 МэВ более чем в 2 раза; снизить скорость радиационной деградации полупроводника при электронном облучении в 1,5 раза. Использование алюмофосфатного стекла в технике известно (см. Алексеев Н.Е. и др. Лазерные фосфатные стекла. - М.: Наука, 1980). Известно также, что в стеклах под действием ионизирующего излучения образуются внутренние электрические поля (см. Колтун М.М., Цетлин В.В. Исследование устойчивости заряженного состояния оптических покрытий солнечных элементов в космосе. Гелиотехника, 1985, N 3, с. 44-47). Однако бесщелочное алюмофосфатное стекло в качестве защитного покрытия полупроводниковых фотопреобразователей солнечных батарей для космических аппаратов используется впервые.

Использованное в предлагаемом изобретении бесщелочное алюмофосфатное стекло обладает свойством под ионизирующим излучением, например при облучении электронами с энергией выше 100 кэВ, образовывать устойчивые во времени сильные внутренние электрические поля с напряженностью выше 0,1 МВ/см, что обуславливает дополнительное торможение электронов в слое защитного покрытия и ослабление прошедшего через него потока электронов и делает возможным использование предлагаемого технического решения на солнечных батареях в условиях облучения ионизирующим излучением в радиационных поясах Земли и межпланетном космическом пространстве в течение длительного времени не менее 3-х лет.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения непосредственно влияют на достижение технического результата, полученного при реализации изобретения.

На фиг. 1 приведен общий вид полупроводникового фотопреобразователя.

Полупроводниковый фотопреобразователь имеет пластину полупроводника 1 из кремния, на тыльную поверхность которой лужением нанесен слой припоя 6 толщиной 150-200 мкм, а на лицевую рабочую поверхность вакуумным напылением нанесены металлические токосъемные контакты 2 из серебра и слой кремнийорганического клея 3 толщиной 50-150 мкм, посредством которого к пластине 1 прикреплено защитное покрытие 4 из бесщелочного алюмофосфатного стекла толщиной 0,17-1,5 мм (170-1500 мкм) с дополнительно нанесенной гидрофобной пленкой 5 толщиной 0,5-15,0 мкм.

Полупроводниковая пластина фотопреобразователя может быть выполнена как из кремния, так и из любого полупроводникового материала такого, например, как арсенид галлия, германий, сульфид кадмия и др.

Металлические токосъемные контакты могут быть выполнены также из титана.

Защитное покрытие из бесщелочного алюмофосфатного стекла, полученного путем высокотемпературного синтеза в электропечи с карбидокремниевыми нагревателями по общепринятой в технологии стекла методике (см. Химическая технология стекла и ситаллов. Под ред. проф. Павлушкина Н.М. - М.: Стройиздат, 432 с.), может иметь, например, следующий состав в мас.%: пентаоксид фосфора 50-80; оксид алюминия 7-10; оксид бора 3,0-10; оксид кремния 4,0-8,0; оксиды магния, кальция, цинка, бария и лантана 6,0-22,0, суммарно, но может иметь любой другой бесщелочной состав, обеспечивающий свойство в защитном покрытии образовывать сильные внутренние электрические поля под ионизирующим излучением как в наземных, так и в космических условиях.

Полупроводниковый фотопреобразователь работает следующим образом.

Устройство размещают на панели солнечной батареи космического аппарата или наземной установки, прикрепляя его посредством кремнийорганического клея. После вывода аппарата на орбиту фотопреобразователь подвергается воздействию электронного ионизирующего излучения. В результате в защитном стеклянном покрытии 4 образуется объемный электрический заряд, создающий внутреннее электрическое поле. По мере накопления объемного заряда потоки электронов испытывают в защитном покрытии 4 полупроводника 1 торможение и отклонение в электрическом поле, ослабляющие поток электронов, прошедших через слой покрытия, и, тем самым, вызывающие дополнительное снижение радиационного повреждения и уменьшение скорости деградации полупроводниковой пластины 1 и слоя кремнийорганического клея 3. Гидрофобная пленка 5 во время полета предохраняет от загрязнения защитное стеклянное покрытие 4 и способствует сохранению его исходных оптических свойств.

Пример. В наземных лабораторных условиях при моделировании воздействия ионизирующего космического излучения был испытан предложенный фотопреобразователь, состоящий из полупроводниковой пластины 1 из кремния с n-p переходом со слоем припоя 6 толщиной 150 мкм на тыльной поверхности и с металлическими токосъемными контактами 2 из серебра или титана на лицевой стороне пластины 1 с прикрепленным посредством кремнийорганического клея 3 толщиной 50 мкм защитным покрытием 4 толщиной 0,5 мм из бесщелочного алюмофосфатного стекла, имеющего следующий состав в мас.%: пентаоксид фосфора 70; оксид алюминия 10; оксид бора 8; оксид кремния 5,0; оксиды магния, кальция, цинка, бария и лантана 7,0, суммарно. Лицевая сторона защитного покрытия 4 имеет гидрофобную пленку 5 толщиной 10 мкм.

Перед испытаниями измеряли исходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотопреобразователей и прототипа на имитаторе Солнца. Для проведения радиационных испытаний была отобрана партия полупроводниковых фотопреобразователей, имевших близкие в пределах ± 5% исходные характеристики фотопреобразования, удельное объемное сопротивление которых составляло 2 Ом/см³.

Во время испытаний фотопреобразователь размещался на пути пучка электронов в поперечной плоскости по отношению к продольной оси электронного пучка и облучался на ускорителе флюенсом электронов в диапазоне 10¹⁴ - 2•10¹⁶ эл. /см² со средней энергией частиц в пучке 1 МэВ при плотности тока пучка 0,01 А/см².

Поперечные размеры пучка электронов составляли 200х200 мм, что позволяло производить облучение группы из 12 полупроводниковых фотопреобразователей одновременно, из них 6 фотопреобразователей предложенного устройства и 6 - прототипа.

Каждая группа фотопреобразователей облучалась определенным флюенсом электронов по нарастанию в указанном выше диапазоне, после чего снова измеряли ВАХ. Для набора необходимого флюенса время облучения фотопреобразователей занимало от нескольких часов до нескольких суток с перерывами на ночное время.

После завершения облучения проводилось повторное измерение ВАХ фотопреобразователей.

Результаты измерений представлены на фиг. 2 и 3.

На фиг. 2 представлены ВАХ фотопреобразователей. По оси абсцисс отложены значения напряжения на нагрузке, а по оси ординат - значения тока. Кривые ВАХ сгруппированы в соответствии с величиной флюенса электронов, которым были облучены фотопреобразователи: 10¹⁴, 10¹⁵ и 5•10¹⁵ эл./см² соответственно. Кривая, обозначенная "исх", показывает ВАХ, измеренную до облучения. Она была одинаковой как для фотопреобразователей предложенного устройства, так и для прототипа. Кривая 1 описывает ВАХ предлагаемых фотопреобразователей, а кривая 2 - ВАХ прототипа. Как видно из фиг. 2, по мере роста флюенса кривые 1 и 2 отличаются друг от друга по форме и по площади, заключенной под кривыми "исх", 1 и 2. Такое различие показывает, что удельная мощность, снимаемая с фотопреобразователей предлагаемого устройства, снижается в результате облучения медленнее, чем у фотопреобразователей прототипа.

На фиг. 3 представлены для сопоставления данные о зависимости деградации удельной мощности предлагаемых фотопреобразователей, обозначенные кружками, и прототипа, обозначенные крестиками, от флюенса электронов при напряжении на нагрузке 300 мВ. По оси ординат указана величина отношения P/P₀, где P₀ и P - удельные мощности, снимаемые с фотопреобразователя до и после облучения электронами на ускорителе соответственно. По оси абсцисс отложены значения флюенса Ф электронов в единицах электрон на см², сокращенно эл./см², воздействующих на фотопреобразователь.

Как видно из данных, приведенных на фиг. 3, при Ф = 10¹⁵ эл./см² остаточная относительная удельная мощность P нового технического решения составляет долю 0,87 от исходной удельной мощности P₀, в то время как остаточная относительная удельная мощность P прототипа составляет долю 0,62 от P₀. При больших значениях Ф остаточные относительные удельные мощности по-прежнему различаются и при Ф = 5•10¹⁵ эл./см² составляют соответственно 0,7 и 0,5 от исходной удельной мощности P₀. Плотность тока пучка электронов во время облучения поддерживается постоянной и равняется 0,01 мкА•см^-2с или в пересчете на число частиц равняется 1,6•10¹¹ эл./см²с. Скорость радиационной деградации фотопреобразователей рассчитывается по формуле [1-P(t)/P₀]/t и составляет для предлагаемого изобретения 10^-5 с^-1, а для прототипа - 1,7•10^-5 с^-1 при Ф = 5•10¹⁵ эл./см².

Из графика на фиг. 3 следует, что удлинение промежутка времени от начала облучения до момента достижения минимального допустимого уровня удельной мощности, например P/P₀ = 0,6, указывает на повышение более, чем в два раза ресурса предлагаемого полупроводникового фотопреобразователя по сравнению с прототипом.

Снижение радиационной деградации предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом в 1,5 раза при флюенсе 5•10¹⁵ эл./см² обусловлено повышением радиационно-защитных свойств защитного покрытия из бесщелочного алюмофосфатного стекла за счет образования в нем под действием пучка электронов устойчивого внутреннего электрического поля объемного заряда.

Как видно из фиг. 3, устойчивость внутреннего электрического поля подтверждается тем, что разность между остаточной относительной мощностью предлагаемого фотопреобразователя и у прототипа неизменно нарастает, что свидетельствует о повышенной радиационной стойкости заявляемого устройства, которая может сохраняться в течение 10 месяцев.

Полученные при испытаниях результаты по изменению характеристик преобразования световой энергии в электрическую статистически достоверны.

Таким образом, при использовании предлагаемого полупроводникового фотопреобразователя появилась возможность повысить ресурс солнечных батарей в условиях воздействия электронов более чем в 2 раза, снизить скорость радиационной деградации в 1,5 раза, а также получить устойчивое во времени внутреннее электрическое поле, повысить радиационно-защитные свойства стеклянного покрытия, сохранять исходные оптические свойства защитных покрытий, что позволит применить полупроводниковый фотопреобразователь в течение длительного времени, не менее 3-х лет, без замены панелей в системе жизнеобеспечения космического аппарата.

Полупроводниковый фотопреобразователь солнечной энергии космических аппаратов как автономный источник электроэнергии согласно изобретению может найти применение:
- в составе солнечных батарей системы жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов, долговременных орбитальных станций, включая международную космическую станцию, и на искусственных спутниках Земли, летающих в околоземном космическом пространстве на высотах выше 10 тыс. км в условиях радиационных поясов и межпланетном пространстве;
- в солнечных батареях наземных автономных энергетических установок, работающих в условиях высокого радиационного фона, например в условиях эксплуатации на урановых разработках и в районах с радиационным загрязнением.

Изобретение относится к области физики процессов преобразования энергии, а именно к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую на основе полупроводникового фотопреобразователя. Сущность изобретения: полупроводниковый фотопреобразователь содержит пластину полупроводника, на тыльную поверхность которой нанесен слой припоя, а на лицевую рабочую поверхность пластины нанесены металлические токосъемные контакты и слой кремнийорганического клея, посредством которого к пластине прикреплено защитное стеклянное покрытие, а согласно изобретению защитное покрытие выполнено из бесщелочного алюмофосфатного стекла с возможностью образования внутреннего электрического поля под действием ионизирующего излучения, при этом на внешнюю поверхность защитного покрытия нанесена гидрофобная пленка толщиной 0,5-15 мкм. Технический результат изобретения выражается в возможности повысить ресурс солнечной батареи в условиях радиационного воздействия электронного ионизирующего излучения более чем в 2 раза, снизить скорость радиационной деградации полупроводникового фотопреобразователя в 1,5 раза, получить устойчивое во времени внутреннее электрическое поле и снизить загрязнение защитного стеклянного покрытия. 3 ил.

Полупроводниковый фотопреобразователь солнечной энергии для космических аппаратов, содержащий пластину полупроводника, на тыльную поверхность которой нанесен слой припоя, а на лицевую рабочую поверхность нанесены металлические токосъемные контакты и слой кремнийорганического клея, посредством которого к пластине прикреплено защитное стеклянное покрытие, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из бесщелочного алюмофосфатного стекла с возможностью образования внутреннего электрического поля под действием ионизирующего излучения, при этом на внешнюю поверхность защитного покрытия нанесена гидрофобная пленка толщиной 0,5 - 15,0 мкм.