Исследование деградации характеристик планарных солнечных батарей под действием твердых частиц естественного и искусственного происхождения Надирадзе, Андрей Борисович

Введение к работе

Актуальность работы

Солнечные батареи (СБ) всегда были и остаются одним из основных источников электроэнергии космических аппаратов (КА). По мере реличения энерговооруженности и ресурса КА спектр требований, предъявляемых к СБ, непрерывно расширяется. В частности, стремление довести время жизни КА до 10 и более лет значительно ужесточило требования к надежности и ресурсу СБ. Очевидно, что для выполнения этих требований необходимо свести к минимуму деградацию характеристик СБ, поскольку даже малые (1-2 в год) темпы потерь мощности для долгокивущих КА становятся весомыми.

За последние 15-20 лег были хорошо изучены многие факторы космического пространства, оказывающие отрицательное воздействие на работу СБ, бшш найдены эффективные меры для борьбы с их негативным влиянием. Однако, несмотря на огромный опыт эксплуатации СБ в космосе, ряд факторов остается малоизученным. К их числу относится воздействие твердых частиц искусственного происхождения (так называемый "комический мусор"). Непрерывный и быстрый (до 10 в год) рост засоренности околоземного космического пространства ставит перед разработчиками СБ множество вопросов о возможных последствиях воздействия твердых частиц и о необходимых мерах защиты. Ответы на эти вопросы в значительной мере способствовали бы дальнейшему развитию солнечной енергетики в космосе...

Цель работы . Целью работы является исследование экспериментальными и расчетными , методами.' механизмов деградации пленарных СБ под действием,, твердых высокоскоростных частиц естественного и искусственного происхождения. ,' На.їчная новизна .,. -; , ,,.,

Установлено, что механизмы Бездействия твердых частиц . на планарныеСБ существенно нелинейны и при определенных условиях приводят к относительным потерям мощности значительно превышающим

относительные площади механического повреадения.

Установлено, что причиной нелинейности является шунтирование солнечных элементов.

Предложена физическая модель шунтирования солнечных элементов при ударах высокоскоростных твердых частиц. Создана имитационная модель деградации СБ произвольной конфигурации (учтены схема коммутации, частичное затенение и т.д.), позволяющая решать прямую и обратнр задачи.

При рассмотрении СБ в целом выяснено, что потери мощности связаш с уменьшением коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики. При этом ток короткого замыкания и напряжение холостого хода изменяются незначительно.

Практическая значимость

Проведенное исследование имеет определенное практическое значение для разработки и дальнейшего совершенствования СБ КА, а таюке для методологии изучения вопросов деградации СБ в. реальнш условиях эксплуатации.

Результаты работы предоставляют необходимую количественную і качественную информацию о причинах и механизмах процесс; деградации СБ под действием твердых высокоскоростных частш естественного и искусственного происхождения. На ближайшие 20 ле' дан прогноз негативного влияния этого фактора на работу СБ і условиях околоземного космического пространства. Показано, что дл СБ, функционирующих на орбитах 200-1500 км, воздействие тверда частиц "космического мусора" может выражаться в потерях около 1,5 мощности в год. Предложен ряд методов защиты СБ от воздействи твердых частиц, проведено численное иссследование этих методов установлено, что наибольшей эффективностью обладает мете разделения секции СБ на несколько параллельно соединенных групп.

Разработанная имитационная модель деградации СБ может бьи использована при проектировании СБ КА для поиска оптимальных, точки зрения уменьшения негативного воздействия ударов тверд частиц, конструкторско-технологических решений.

Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Рассматривается общее состояние вопроса деградации СБ в космосе и указывается на иалоизученность механизмов воздействия твердых частиц искуственного и естественного происхождения. Отмечается необходимость изучения этого фактора в виду непрерывного роста засоренности околоземного космического пространства.

Известны три основные класса твердых частиц в космосе: метеорное вещество,- кометные пылевые частицы, частицы искусственного происхождения. Последние возникают в результате случайных или преднамеренных взрывов КА, при работе пиротехнических устройств и т.п., и образуют на околоземных орбитах так называемый "космический мусор"'.

Анализ литературных данных показал, что потоки частиц "космического мусора" в настоящее время соизмеримы с потоками микрометеоритов, а в дальнейшем ожидается рост засоренности на 5+10 ежегодно. Характеристики потоков частиц на низких и средних орбитах приведены на рис. 1.

По имеющимся данным, основная часть "космического мусора" сосредоточена на расстоянии 2000 км от поверхности Земли. На геостационарных и других высокоэнергетических орбитах засоренность значительно ниже (см. рис. 2). Частицы "космического мусора" распределены почти равномерно над всей поверхностью Земли за исключением небольших повышений концентрации вблизи полюсов. Это значает, что вероятность столкновения не зависит от положения или

направления движения КА по низкой орбите. Средняя скорость столкновения с частицами может меняться от 9 до 13 .км/с в зависимости от высоты и наклонения орбиты.

Во второй части главы проведен анализ имеющихся в литературе данных по вопросу воздействия твердых частиц на СБ КА. При. втом было установлено, что вопросы воздействия твердых частиц на СБ КА детально не изучались. Ранее рассматривалось воздействие только ыикрометеоритных частиц. Было принято считать, что они вызывают в основном эрозию защитных стекол солнечных элементов, при ВТОМ параметры СБ изменяются незначительно.

Вместе с тем, имеются данные, указывающие на возможность значительных потерь мощности СБ при воздействии твердых частиц. Среди них - информация о больших (до 80$) потерях мощности СБ КА "Бега", наблюдавшихся во время прохождения космических станций через пылевую оболочку кометы Галлея. Сопоставление площади повреждений поверхности СБ с зарегистрированными уровнями потерь мощности не позволяет объяснить эти потери эрозией защитных стекол и наводит на мысль о существовании более "моацшх". механизмов деградации.

Имеются также данные о шунтировании солнечных элементов (СЭ) при. высоковольтном пробое пластины полупроводника. Наблюдающиеся при этом потери весьма значительны. Проведенные оценки показали, что энергия разрядов, приводящих к шунтированию, соизмерима с энергией твердых частиц, летящих со скоростью 5+15 км/с. Поскольку в экспериментах на КА "Бега" были реализованы значительно большие скорости соударения (около 80 км/с), можно предположить наличие эффекта шунтирования и в случае ударов твердых частиц.

На основании приведенных выше данных, вх. качестве основного объекта исследований- был выбран механизм деградации СБ, связанный с шунтированием СЭ. Учитывая' сложности проведения исследований воздействия твердых частиц на элементы СБ как в лабораторных так и в натурных условиях, целесообразным является использование

имитационнго моделирования процесса деградации СБ, что и составило основную часть диссертационной работы.

ШВА 2.

Как известно, основным фактором, определяющим характеристики полупроводникового прибора, является структрура р-n перехода. Поэтому большинство механизмов деградации СЭ в той или иной степени связано с образованием дефектов в полупроводниковом материале. Анализ процессов, протекающих при высокоскоростном ударе твердой частицы пс СЭ (см. рис. 3), показал, что существует два характерных типа повреждений, отличающихся стрртурой полупроводника в конечном состоянии (после прохождения ударной волны). Один из них имеет место при механическом разррении полупроводника, второй - при его плавлении.

Из имеющихся в литературе данных следует, что механические разрушения (микротрещины, поры и т.п.) практически не затрагивают примесную структуру полупроводника и незначительно ухудшают характеристики СЭ: поврежденный участок может потерять фотоактивность, увеличится величина последовательного сопротивления СЭ, но эффект шунтирования при таком виде повреждения маловероятен.

Шесте с тем имеются данные, указывающие на возможность значительных структурных изменений (распад пересыщенного твердого раствора, перераспределение примесей и т.п.) после плавления и последующей кристаллизации полупроводникового материала. Эти изменения могут приводить к потере выпрямительных свойств р-п перехода и значительному реличению токов утечки.

На основании вышесказанного, было сделано предположение о том, что шунтирование СЭ является результатом структурных изменений,

вызванных плавлением полупроводника в мощной ударной волне, возникающей при ударе частицы. Для описания механизма шунтирования при- одиночном ударе авторы была предложена следующая модель.

После завершения процесса кратерообразования на поверхности кратера (см. рис. 3) образуется тонкий слой с нарушенной структурой, через который могут протекать токи утечки, т.'е. может происходить шунтирование р-n перехода. Величина шунтирующего сопротивления определяется при втом как к = й . ї/яю W, где р -

sh віі 2 eh

I, W - удельное сопротивление, длина и толщина электропроводящего слоя, соответственно} D - диаметр кратера в полупроводнике на глубине метелургической границы р-n перехода.

Рассмотрение морфологии повреадний позволило установить, что в большинстве случаев Isl, где X - глубина залегания р-n перехода (у современных СЭ \ м 0,3-0,6 мкм). Учитывая, что линии тока токов утечки вряд ли могут проникать в поврежденный слой на глубину большую чем I, было принято, что W * I « X. В результате, для определения R ,_ била получена следующая формула:

fih ,h _т

Предложенная модель позволила рассматривать R ,_ как функцию

двух независимых величин, характеризующих (физические свойства (р ) и геометрические размеры (D J шунтирующей структуры.

sh 2

Для определения D были использованы существующие подходы к определению размеров ударных кратеров. Использовались полуэмпирические модели, базирующиеся на результатах экспериментов и численного моделирования. Новым является предложенный автором метод расчета размеров.кратера в двуслойных мишенях, учитывающий расщепление ударной волны на границе раздела сред. Данный метод основан на концепции эквивалентности полей течения на поздних стадиях соударения в . первом слое мишени, и на сравнении динамического давления в поле течения с пределом текучести материала а„ во втором слое. Диаметр кратера D„ определяется при

* 2 *

этом по положению в первом слое мишени фронта ударной волны, имеющей ашілидуду, необходимую для создания во втором слое мишени динамического .давления р = о,.

С помощью предложенного метода расчета размеров кратера, были определены критические параметры удара, приводящего к шунтированию. Б качестве критерия для определения этих параметров было принято условие равенства значений амплитуды ударной волны Р на глубине р-n перехода и'значения давления, необходимого для

р-п

плавления полупроводника - а . При этом критическая скорость

соударения 7 определялась из условия Р = а , где Р

oh ш в m

максимальное давление, развиваемое в момент удара. Для определения критического радиуса частиц a _u, при скорости соударения V, г V ,_,

eh к en

использовалось условие Р - а . Результаты расчетов критических

р-П, 8

параметров удара представлены на рис. 4 (значения критического радиуса частиц даны в долях толщины защитного стекла).

Наиболее трудный являлось определение р . поскольку эта

величина связана с физическими свойствами шунтирующей структуры.

Качественный анализ процессов формирования шунтирующей структуры показал, что ее свойства определяются процессом кристаллизации. Поскольку кристаллизация наступает после прохождения ударной волны и практически не зависит от ее параметров, было сделано предположение о независимости физических свойств шунтирующей структуры от параметров соударения. На этом основании было предложено рассматривать шунтирующую структуру как "черный ящик", а величину р _Ll характеризующую ее свойства,

определить из эксперимента.

Для того, чтобы из результатов экспериментов определить величину р . необходимо связать с ней выходные характеристики

батарей, учитывая при этом такие особенности реальных СБ как электрическую схему коммутации СЭ, частичное затенение и т.п. С этой целью была создана имитационная модель воздействия твердых частиц на СБ, рассмотрению которой посвящена следующая глава.

.-11-ГЛАВА 3. ДОТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЕГРАДАЦИИ СОЛШНЫХ БАТАРЕЙ

Особенностью воздействия твердых частиц на СБ является его дискретность и малая частота событий (0,1-100 событий в год).. При таком характере воздействия потери мощности СБ зависят не только от интегральных параметров потока, но и от параметров каждой отдельной частицы, попавшей на СБ, от координат и взаимного располозения точек попадания. Большое значение имеют при этом схема коммутации и компоновка СЭ, наличие участков, защищенных от воздействия частиц, частичное затенение СВи.т.п.

Учитывая сказанное выше, для проведения" исследований воздействия твердых частиц на реальные СБ была разработана имитационная модель, в которой были учтены:

-функция распределения тведых частиц;

-схема коммутации элементов солнечной батареи;

-блокирующие диоды;

-частичное затенение СБ;

-защищенность части СБ от воздействия частиц (например, при затенении елементами конструкции КА).

На входе имитационной модели должны быть заданы:

1) параметры солнечной батареи (схема коммутации элементов,
контуры затенения и защищенности элементов от воздействия);

2) электрические и конструктивные параметры элементов,
составляющих СБ (параметры вольт-амперных характеристик СЭ и
блокирующих диодов, размеры СЭ, толщина защитного стекла);

1. время воздействия, функция распределения и потоки частиц (возможно задание по фракциям);

2. физические свойства защитного стекла, материалов частиц, удельное сопротивление области шунтирования р .

Имитация воздействия твердых частиц на СБ осуществляется следующим образом.

Формируется случайная выборка из функция распределения твердых

частиц. Координаты точек "попадания" тайке разыгрываются случайным образом. Далее, на основании полученной выборки, с помощью модели шунтирования определяется изменение параметров вольт-амперных характеристик "поврежденных" СЭ. После этого вычисленяются и суммируются вольт-амперные характеристики всех элементов, составляющих батарею.

Результатом прогона имитационной модели (или одного численного експерименте) является вольт-амперная характеристика СБ.

На базе данное имитационной модели были разработаны приложения для решэния прямой и обратной задачи.

Прямая задаче заключается в ' определении статистических характеристик деградации СБ при заданных параметрах СБ и функции распределения твердых частиц. Дйа решения этой задачи выполняется заданное количество прогонов имитационной модели, а затем осуществляется статистическая обработка накопленных данных. Количество прогонов «одели выбирается в соответствии с распределением Колмогорова при заданном уровне доверия и требуемой точности определения функции распределения потерь тока СБ.

Обратная задача состоит в оценке параметров модели деградации по имеющимся експериментальним данным. Метод решения етой задачи основан на поиске значений параметров модели, минимизирующих некоторый критерий согласия, который характеризует степень рассогласования експериментальних данных с их .модельным представлением. В качестве критерия согласия был выбран непараметрический критерий Низеса а².

Поиск минимума и² осуществляется методом перебора с

автоматическим выбором и коррекцией области поиска. Для вычисления значения критерия в каадой точке области поиска решается рассмотренная выше прямая задача. Для определения значений а² в промежуточных точках используется кубическая сплайн-интерполяция, а для поиска координат точки минимума и² на очередном шаге

итераций - метод покоординатного спуска.

Следует отметить, что алгоритм решения обратной задачи

позволяет оценивать любые параметры модели, входящие в вектор исходных данных. Это качество может быть использовано, например, для оценки параметров функции распределения частиц "космического мусора** по данным о работе СБ в космосе.

Разработанная имитационная модель построена с использованием методов объектно-ориентированного проектирования, что делает ее открытой для любых изменений и дополнений. При разработке имитационной модели большое вримание уделялось быстродействию алгоритмов. В частности, был разработан быстрый алгоритм решения трансцендентного уравнения вольт-амперной характеристики СЭ.

Приложения для решения прямой и обратной задач реализованы в виде пакетов программ для IBM PC. Время проведения одного численного експерименте, составляет около 5 с на IBM PC 486, 66 КГц при количестве СЭ в СБ около 4000. При этом на решение прямой задачи уходит 5+10 минут, а для решения обратной задачи необходимо затратить от единиц до нескольких десятков часов.

В предыдущих главах диссертации были рассмотрены физическая модель шунтирования СЭ и имитационная модель деградации СБ в целом. При этом параметр этой модели р . оказалися пока

неопределенным вследствие сложности описываемых физических процессов. Помимо этого были сделаны предположения о независимости величины р ,_ от параметров соударения и о необходимости плавления

полупроводника для возникновения эффекта шунтирования, обоснование которых базировалось на упрощенных физических представлениях о процессах образования шунтирующей структуры.

С целью определения величины р ,, а также для дополнительного обоснования сделанных ранее предположений, была проведена

обработка експериментальних данных по деградации характеристик СБ при воздействии твердых частиц. Были обработаны две серии экспериментов: данные по деградации СБ КА "Бега" и данные, полученные на стендах ИМЯФ МТУ с участием автора.

, Как известно, експерименти на КА "Бега" проводились с целью всестороннего изучения кометы Галлея и дали богатейшую информацию о параметрах кометных пылевых частиц (см. рис. 5). Параллельно с научными измерениями велась регистрация изменения мощности СБ' вдоль тректорий космических станций. Было установлено, что части СБ (около 60 площади), подвергавшиеся воздействию кометных частиц, потеряли от 50 до 80 своей, електрической мощности. Оставшаяся часть СБ была защищена от воздействия елементами конструкции КА и полностью сохранила работоспособность. Данные о потерях тока секциями СБ приведены на рис. 6.

Имея данные о характеристиках кометных частиц, конструкции СБ, ориентации и геометрических особенностях КА "Бега" были проведены оценки возможного вклада различных механизмов деградации в общие потери мощности СБ.

Так оказалось, что механическое разрушение защитных стекол, приводящее к снижению их прозрачности, а значит и потере мощности СБ, составляло менее 3-5.

Для оценки .падения мощности СБ, связанного с потерей прозрачности защитных стекол из-за возможного загрязнения их поверхности частицами А1 (материал корпуса КА), распыленного при ударах частиц, была разработана модель и соответствующее программное обеспечение. Модель предполагала диффузное рассеяние паров металла, свободномолекулярное течение газа и полное осаждение паров на поверхности. Программное обеспечение учитывало реальную конструкцию и ориентацию КА относительно потока частиц. Было получено, что толщина пленки А1 на поверхности стекол составляла около 3-5 I, а потери прозрачности не превышали 5-10.

Влияние космической радиации на СБ было .исключено в виду быстрого протекания процесса деградации. Разрядные процессы на

поверхности СБ маловероятны, поскольку при входе КА в пылевую оболочку кометы повышение концентрации компонент СВА будет способствовать отеканию электрических зарядов.

Проведенные оценки показали незначительность перечисленных выше механизмов деградации, что дало основание использовать результаты, полученные на КА "Бега", для решения вопросов оговоренных в начале этой главы.

Это было реализовано с помощью имитационной модели (см. главу 3). Параметры a_tHp_L подбирались таким образом, чтобы получить

ял ел

іаилучшее согласие между наблюдаемой и теоретической [имитированной на модели) функциями распределения потерь тока акциями СБ. Для построения эмпирической функции распределения гспользовались значения потерь тока секциями СБ (см. рис. 6), а 'еоретическая функция распределения строилась с учетом ндивидуальных особенностей секций СБ (схема СБ, поток и функция аспределения частиц по размерам, защищенность части СБ и т.д.).

Таблица 1

Найденные таким образом значения параметров a _L и р _u

eh eh

едставлены в таб. 1. Там же приведено расчетное значение а . лученное на основании теории удара для условий экспериментов на "Бега" (см. рис. 4 для скорости соударения 80 км/с, плотности зтиц 1 т/си³ и толщины защитного стекла 150 мкм). Хорошее ?ласие значений а . найденных из эксперимента и расчетным

гем, говорит об адекватности предложенной модели, если не

считать того обстоятельства, что предположение о независимости р ,.

от параметров удара может оказаться несостоятельным.

6 серии экспериментов, проведенных с участием автора в НИИЯФ МГУ, изучался другой скоростной диапазон. Оразцы СЭ облучались ультрадисперсными, частицами А.1, имеющими скорости 1-12 км/с и размеры от 0,1 до 10 мкм. Ускорение частиц осуществлялось электростатическим методом. Распределения частиц по скоростям и размерам были известны. В качестве образцов использовались кремниевые СЭ с удаленным защитным стеклом, имеющие п*-р-р* структуру, с гребенчатым лицевым и сплошным тыльным контактами. В експериментах измерялись темновые вольт-амперные характеристики образцов до и после воздействия.

Проведенные експерименти показали, что после воздействия частиц происходит существенное уменьшение величины шунтирующего сопротивления СЭ, что проявляется в увеличении наклона обратной ветви темновой вольт-амперной характеристики (см. рис. 7). Этот факт говорит о том, что при ударах частиц действительно происходит шунтирование СЭ.

Обработка полученных данных, проведенная .с помощы имитационной модели (см. гл. 3), ив этой серии экспериментов позволила определить параметры V и р (см. таб. 1). Хорошее соответствие значений V .'найденных из эксперимента и расчетных

Л

путем в главе 2, показывает, что шунтирование СЭ и плавлеш полупроводника начинаются при одних и тех же скоростях соударения, подтверждая тем самым наше предположение о . необходимості плавления полупроводника для возникновения эффекта шунтирования.

Сопоставление значений р , найденных в двух серия: экспериментов, различающихся скоростями частиц (80 и 10 км/с), и плотностями (1 и 2,7 г/см³), а также- толщиной защитного стекл (lf>0 и 0 мкм), показало их хорошее соответствие, подтверждая эти правомерность гипотезы о независимости величины р от параметре удара.

Таким обрасе-v, хорошее соответствие рипч^кий параметре

модели, подученных расчетным путем и найденных из двух серий экспериментов, существенно отличающихся условиями их проведения, подтверждает правомерность предложенной модели в целом и позволяет использовать ее для прогноза деградации СБ КА под действием потоков высокоскоростных твердых частиц.

Имеющаяся в литературе информация о характеристиках техногенных частиц и разработанная в данной работе модель деградации позволили провести прогноз деградащш характериситк пленарных (кремниевых) . солнчных батарей под действием частиц "космического мусора" на околоземных орбитах. Прогноз проводился при следующих допущениях:

-все частицы искусственного происхождения имеют массовую плотность р = 2,7 г/см³ и скорость V = 9 км/с, что соответствует преобладающим значениям плотности и скорости техногенных частиц;

-все частицы падают на поверхность СБ под прямым углом.

Для определенности, рассматривалась типичная секция СБ, состоящая из 57x70 последовательно-параллельно соединенных элементов, имеющих площадь 4 см² и защитное стекло толщиной 150 мкм. Такая СБ в точке максимальной мощности шеет напряжение 28 В при токе 10 А (см. рис. 8). При указанных параметрах СБ критический радиус частиц а = 0,019 см. Интегральные потоки

частиц, имеющих радиус а г а _и, показаны на рис.9 (эти кривые

К МЛ

построены для двух темпов роста засоренности, равных 5 и Ю% в год).

На рис. 8 представлена также.вольт-амперная характеристика СБ после 10 ударов частиц с закритическиш параметрами (это около двух лет пребывания на орбтите). Из этого рисунка видно, что бомбардировка твердых частиц приводит к снижению коэффициента

заполнения вольт-амперной характеристики при относительно небольших изменениях тока короткого замыкания 1^ и напряжения холостого хода батареи и .

На рис. 10 показаны зависимости вероятности потерь мощности СБ Р(>АР) в зависимости от среднего флюенса частиц. Здесь умышленно дана зависимость Р от флюенса частиц, а не от времени воздействия, поскольку величина флюенса может быть различной в зависимости от модели роста засоренности, величины потока частиц и толщины защитного стекла (см. рис. 9).

Графики на рис. -11 показывает динамику потерь мощности СБ при различной вероятности, потерь мощности Р(>ДР). Из этих графиков видно, что средние потери мощности составляют около 0,5 на один удар частицы. Заметим, что при количестве солнечных влементов в батарее около 4000 такое воздействие можно сравнить с одновременным выходом я>. строя до 20 солнечных елементов. В етом проявляется специфика поражения СБ твердыми высокоскоростными частицами.

- На основании полученных результатов можно сделать ряд рекомендаций по снижению негативного влияния твердых частиц на работу СБ.

Наиболее простой и радикальный способ - состоит в реличении толщины защитного стекла. Поскольку плотность потока твердых частиц достаточно быстро падает с реличением их 'размеров, то увеличение толщины стекла и, соответственно, критического радиуса частиц приводит к заметному снижений потерь мощности. Это видно на рис. 12, где показана динамика средних потерь мощности СБ различных конфигураций при средних значениях потоков частиц.

Другой способ защиты - пассивное резервирование. Однако он малоеффективен, поскольку при реличении массы СБ, средние потери несколько возрастают из-за реличения вероятности поражения (см. рис.12).

Наиболее эффективным способом защиты является разделение секции солнечной батареи на несколько параллельно соединенных

груш (т.н. распараллеливание). Это позволяет при одной и той же площади и практически неизменной массе СБ заметно уменьшить средние потери мощности (см. рис. 12). Такой эффект связан с характером поражения СБ твердыми частицами и обусловлен тем, что при распараллеливании происходит изоляция поврежденных солнечных элементов.

В работе получены следующие основные результаты.

1.Показано, что под действием ударов высокоскоростных твердых частиц, может происходить шунтирование солнечных элементов и значительное ухудшение энергетических характеристик СБ в целом. Шунтирование является результатом нарушения выпрямительных свойств р-n перехода и возникает в случае плавления полупроводника.

2.Для описания механизма шунтирования разработана физико-математическая модель, позволяющая определить величину шунтирующего сопротивления пленарных солнечных элементов в зависимости от параметров частиц и толщины защитного стекла.

3.Определены критические параметры частиц, превышение которых приводит к шунтированию солнечных элементов. Показано, что критическая скорость частиц зависит от их массовой плотности и для веществ, образующих "космический мусор", находится в пределах от 6 до 9 км/с. Характерные значения критического радиуса для частиц "космического мусора" находятся в диапазоне от 0,5 до 2 толщин защитного стекла солнечного элемента.

4. Разработана имитационная модель процесса деградации солнечных батарей под действием твердых высокоскоростных частиц, в которой учтены реальная функция распределения тведых частиц; реальная схема коммутации элементов солнечной батареи; блокирующие диоды; частичное затенение; защищенность части элементов от воздействия.

Ь.С помощью разработанных моделей и на основании известных и полученных автором экспериментальных данных найдено значение

удельного сопротивления области шунтирования р . характеризующего деградащпо кремниевых СБ при воздействии твердых высокоскоростных частиц, а также доказана слабая зависимость величины р от параметров удара (скорости, размеров и массовой плотности частиц);

6.На основании найденных значений физических параметров деградации, проведен прогноз деградации характеристик солнечных батарей на околоземных орбитах. Показано, что средние темпы потерь мощности за- счет воздействия частиц "космического мусора" составляют около 1,5 % в год. С учетом ожидаемого увеличения засоренности околоземного пространства к 2020 году средние потери мощности достигнут уровня 3+5 % в год.

7.На основании проведенных- исследований сформулирован ряд рекомендаций по защите СБ от воздействия высокоскоростных твердых частиц естественного и иокуегвенного происхоадения.