Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

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.

Из рис. 5.6, на котором приведено также изменение в тех же условиях тока нагрузки модулей, снабженных тонкими двуслойными и однослойными покрытиями (кривые 3, 4), видно, что даже сравнительно небольшое возрастание плотности защиты позволяет значительно увеличить стойкость солнечных элементов к повреждающему воздействию радиации.

Наземные фотогенераторы в герметизирующих оболочках, использующие однократный или концентрированный поток солнечного излучения

Первоначально считалось, что создание наземных фотогенераторов из различных полупроводниковых солнечных элементов не встретит заметных научно-технических или инженерных трудностей, поскольку для этого типа устройств условия работы значительно легче, а возможности ремонта несоизмеримо больше, чем для космических солнечных батарей. Однако достаточно быстро выяснилось, что отрицательное воздействие, например, влаги воздуха на параметры солнечных элементов оказывается зачастую гораздо более сильным, чем влияние термоциклирования на околоземных орбитах. Это обстоятельство выдвинуло проблему герметизации наземных солнечных элементов в одну из наиболее актуальных. При этом оказалось, что экранировать от неблагоприятного воздействия различных климатических факторов необходимо не только фотогенерирующую часть этих устройств, но и многие вспомогательные узлы установок, такие, как дополнительные отражатели или концентраторы солнечного излучения.

В настоящее время КПД большинства наземных солнечных фотогенераторов из кремниевых солнечных элементов составляет 12–13 %, и это означает, что при плотности падающего на элементы потока солнечного излучения 800 Вт/м², характерной для средней полосы СССР в ясные летние дни, каждый квадратный метр фотогенерирующей части подобных устройств может обеспечить получение около 100 Вт электрической мощности. Сейчас испытываются самые разнообразные конструкции наземных фотогенераторов. Различаются они главным образом по способу герметизации солнечных элементов и по оптической схеме используемого концентратора солнечных лучей, если, конечно, в установке предусмотрено применение многократных потоков излучения, что позволяет резко уменьшить стоимость получаемой электроэнергии, ибо концентрирующее устройство, как правило, в десятки и сотни раз дешевле непосредственно самих солнечных элементов.