Коллектив авторов - История электротехники

Указанные разработки были выполнены в России значительно раньше зарубежных и имеют широкие перспективы применения для космических аппаратов нового поколения.

3. Разработка СЭ и батарей на основе арсенида галлия, основные преимущества которых по сравнению с кремниевыми: большой начальный КПД (20%), вдвое меньшие потери при возрастании рабочей температуры, существенно большая радиационная стойкость и работоспособность

при температуре 150 °С. В совокупности эти факторы делают арсенид-галлиевые солнечные панели предпочтительными для использования на КА для широкого класса орбит, особенно для аппаратов с большим сроком активного существования. Преимущества арсенид-галлиевых панелей во многих случаях преобладают над их недостатками: большими по сравнению с кремнием удельной массе и начальной стоимостью. Привлекателен конечный выигрыш, который может получить потребитель по основным характеристикам, используя арсенид-галлиевые панели в течение длительного срока на аппаратах различного назначения.

Впервые в мире солнечная панель из арсенид-галлия площадью 1 м была разработана в Государственном научно-производственном предприятии «Квант» (ГНПП «Квант») в 1967 г. и применена на КА при полете к планете Венера и обеспечила при температуре 120 °С заряд блока химических батарей спускаемого на поверхность планеты аппарата непосредственно перед началом спуска. В дальнейшем на все автоматические станции, направляемые к Венере, стали устанавливать панели из арсенида галлия. Существенным этапом в развитии работ по арсенид-галлиевым солнечным панелям явилась разработка панели для автоматических самоходных аппаратов, действующих на поверхности Луны, «Луноход-1» и «Луноход-2» (1972 г.). Работая в экстремальных условиях на лунной поверхности при рабочих температурах до 150 °С в течение многих лунных суток, данная панель полностью удовлетворяла по энергетике программу исследований, при этом был получен наивысший результат того времени по удельной мощности 1000 Вт/м 2при температуре 140–150 °С. Наиболее крупной разработкой в области арсенид-галлиевых панелей является СБ для орбитальной станции «Мир». За 8 лет летных испытаний арсенид-галлиевые панели, имевшие начальную выходную мощность 10 кВт, обнаружили высокую стабильность характеристик (суммарная средняя деградация не более 3,5% в год) в сложнейших условиях эксплуатации: при наличии существенных затенений, воздействии двигателей многочисленных стыкуемых аппаратов и собственной воздушной атмосферы станции.

4. Разработка тонкопленочной технологии СЭ на основе аморфного кремния, которые относятся к новому поколению панелей СБ для энергоснабжения космических аппаратов, действующих на различных орбитах. Основная цель — создание ультралегких панелей с максимальным отношением вырабатываемой мощности к массе, существенно превышающим достигнутые на сегодня или планируемые результаты на других типах СБ. Такие ультралегкие панели СБ можно будет применять для широкого класса орбит, в особенности в случаях, когда определяющей является стоимость запуска космического аппарата, в частности для геостационарных орбит. Другой важнейшей особенностью данного направления является возможность создания солнечных панелей рулонного типа, обладающих максимальной плотностью упаковки и наибольшим отношением вырабатываемой мощности к объему, занимаемому солнечными панелями. Эта особенность позволяет считать предполагаемый тип солнечных панелей перспективным также для низкоорбитальных полетов.

Наконец, в силу принципиальных особенностей технологии, в которой активная структура осаждается непосредственно на подложку из газовой фазы, открываются возможности организации полностью автоматизированного цикла, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости рулонных аморфнокремниевых батарей по сравнению с монокристаллическими аналогами.

Наибольших успехов в этой области добилась фирма ЕСД («Energy Conversion Di-vices»), США, создавшая два завода по производству аморфных СБ (в первую очередь для наземного использования).

ГНПП «Квант» и фирма ЕСД учредили в 1990 г. совместное предприятие «Совлакс», особенностью продукции которого является использование впервые в мировой практике двух-, трехпереходных каскадных структур СЭ, что создает предпосылки для получения максимального КПД и стабильности характеристик.

К числу перспективных направлений исследований по созданию новых СЭ следует отнести также работы по использованию в качестве фотоэлектрического материала фосфида индия. СЭ на этой основе работоспособны при температуре до 120°С и обладают приблизительно на 15.% большей радиационной стойкостью, чем арсенид-галлиевые. Возникающие под действием радиации дефекты в объеме этого материала, снижающие значения генерируемого СЭ тока, относительно легко ликвидируются в процессе эксплуатации естественным образом под действием солнечной радиации при температуре 80–100 °С. В то время как организовать отжиг кремниевых или арсенид-галлиевых батарей, для чего требуются температуры 450 и 250 °С соответственно, в процессе эксплуатации практически невозможно.

Таким образом, основными тенденциями в совершенствовании СЭ в настоящее время являются:

1) переход на тонкопленочные структуры на базе аморфного кремния, фосфида индия, гетероструктур на основе диселенидов индия и меди, поликристаллических пленок теллурида кадмия и др., чем достигается существенное улучшение массогабаритных параметров и повышение радиационной стойкости;

2) построение каскадных композиций, что позволяет избирательно и эффективно преобразовывать все участки солнечного спектра излучения, обеспечивая высокий результирующий КПД.

В частности, американская фирма «Spectrolab Inc.» разработала и установила на спутниках СБ мощностью 10 кВт, построенную на СЭ, с КПД 21,6%. Эти элементы имеют двухслойную структуру. Наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, он преобразует коротковолновую часть спектра. Внутренний слой из арсенида галлия использует длинноволновую часть. Подложка элемента изготовлена из германия. К числу ведущих зарубежных фирм в области разработки новых солнечных элементов помимо упомянутой фирмы следует отнести «Sharp» (Япония), «Telefunken» (Германия).

Определенный интерес представляют разработки СБ с использованием концентраторов (параболических зеркал, линз Френеля, фоконов), увеличивающих степень концентрации в десятки раз. При этом достигается более эффективное использование фотоэлектрического материала. Однако возникают трудности с компоновкой батарей и с массогабаритными удельными характеристиками. Кроме того, при больших концентрациях во избежание перегрева элементов необходимо предусматривать эффективной отвод теплоты с помощью специальных устройств.