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