Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование выбора объекта, цели и задач исследования 15
1.1. Перспективы развития и применения солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами излучения и задачи исследования фотоэлектрических модулей и их элементов 15
1.2. Анализ состояния и развития методик и средств исследования характеристик фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии 21
1.3. Цель, задачи и структура диссертационной работы 27
2. Моделирование натурных условий работы элементов фотоэлектрических модулей при лабораторных исследованиях 30
2.1. Моделирование солнечного излучения 30
2.1.1. Выбор методик и средств моделирования 30
2.1.2. Методика и средства контроля и корректировки характеристик ИСИ 36
2.2. Моделирование распределения плотности концентрированного излучения на поверхности СЭ 46
2.3. Моделирование тепловых режимов работы СЭ 57
2.4. Моделирование воздействия космической радиации 59
3. Разработка методов и средств исследования элементов фотоэлектрических ячеек 64
3.1. Методика и средства измерения оптико-энергетических характеристик линз 64
3.2. Методика измерения вольт-амперных характеристик солнечных элементов, преобразующих концентрированное излучение 74
3.2.1. Методика и средства измерений В АХ СЭ с использованием ИСИ, моделирующего угловой размер Солнца 75
3.2.2. Методика и средства измерения В АХ СЭ при моделировании влияния неравномерной облученности его поверхности 76
3.2.3. Методика исследования температурной деградации параметров СЭ 80
3.2.4. Методика оценки радиационной деградации СЭ 83
3.3. Методика определения компонент внутреннего сопротивления СЭ 86
3.4. Методика измерения оптических и рекомбинационных потер 92
4. Исследования характеристик элементов фотоэлектрических ячеек 106
4.1. Исследование характеристик линз 106
4.1.1. Разработка и изготовление линз Френеля 106
4.1.2. Исследования характеристик круговых линз Френеля... 114
4.1.3. Исследования характеристик линейных линз Френеля... 116
4.2. Исследование характеристик солнечных элементов 120
4.2.1. Однопереходные GaAs СЭ, изготовленные методом жидкофазной эпитаксии 120
4.2.2. Однопереходные GaAs СЭ, изготовленные методом МОС-гидридной эпитаксии 127
4.2.3. Двухпереходные GalnP/GaAs СЭ, изготовленные методом МОС - гидридной эпитаксии 144
5. Исследования характеристик фотоэлектрических модулей в лабораторных и натурных условиях 155
5.1. Контроль точности фокусировки линз Френеля в блоке 155
5.2. Контроль параметров фотоэлектрогенерирующих плат 160
5.3. Исследования характеристик и контроль параметров ФЭМ с круговыми линзами Френеля 163
5.3.1. Электролюминесцентная методика контроля ФЭМ 165
5.3.2. Натурные исследования ФЭМ в наземных условиях 173
5.3.3. Предварительные результаты летно-космического эксперимента 180
5.4. Исследования характеристик и контроль параметров ФЭМ с линейными линзами Френеля 183
Заключение 193
Список литературы 197
- Анализ состояния и развития методик и средств исследования характеристик фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии
- Моделирование тепловых режимов работы СЭ
- Методика и средства измерения В АХ СЭ при моделировании влияния неравномерной облученности его поверхности
- Исследование характеристик солнечных элементов
Введение к работе
Разработке методов и средств исследования характеристик полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) и солнечных батарей (СБ) уделяется достаточно большое внимание во всем мире, что объясняется потребностью в их точной и экономичной аттестации на всех этапах разработки и изготовления в условиях стремительно нарастающего промышленного производства. К настоящему времени наибольшее развитие получила метрология планарных СЭ и СБ, преобразующих неконцентрированное солнечное излучение. Подобные СБ все шире используются в практике для электроснабжения не только космических, но и наземных объектов. Применение дорогостоящих полупроводниковых материалов и гетероструктур А3В5 для производства высокоэффективных, в частности, многопереходных СЭ, необходимых для дальнейшего развития космической и земной солнечной энергетики, предопределило появление нового направления в фотоэнергетике - фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения. Использование наиболее перспективных концентраторов - линз Френеля, изготовленных из дешевых материалов, в сочетании с высокоэффективными СЭ малой площади, преобразующими концентрированное излучение, позволяет существенно поднять эффективность преобразования солнечной энергии при радикальном снижении расхода полупроводниковых материалов для выработки заданной мощности. В совокупности это дает возможность значительно (в 2 и более раз) уменьшить стоимость электроэнергии, производимой фотоэлектрическими установками с концентраторами, по сравнению с планарными СБ.
В то же время усложнение структуры СЭ, работающих при высоких плотностях облучения, а также всей конструкции фотоэлектрических модулей (ФЭМ) с концентраторами требует применения специальных методов исследований характеристик как отдельных компонентов ФЭМ 'линз, СЭ и их сборок), так и модулей в целом. Однако такие методы не получили еще должного развития. При этом метрология концентраторных СЭ и ФЭМ предполагает разработку и создание не только новых методик прямых и косвенных измерений характеристик СЭ, концентраторов и других элементов ФЭМ, но и методов корректного моделирования их рабочих режимов в лабораторных условиях. Только в этом случае результаты исследований элементов ФЭМ позволяют в правильном направлении совершенствовать конструкцию и технологию изготовления высокоэффективных СЭ, линзовых концентраторов и их сборок, а также достоверно прогнозировать ожидаемые характеристики ФЭМ при их работе в космосе и на Земле.
Нарастающая потребность в высокоэффективных ФЭМ с концентраторами излучения и отсутствие стандартизированных методов и средств исследования таких модулей и их компонентов и определяют актуальность темы диссертации.
Целью диссертационной работы является разработка экспериментальных методов исследования гетероструктурных солнечных элементов и фотоэлектрических модулей с линзовыми концентраторами излучения и реализация этих методов при создании основных компонентов модулей и прогнозировании их характеристик в реальных условиях эксплуатации, в частности в условиях околоземного космоса, по результатам лабораторных измерений.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие тдачи: разработать методики и средства лабораторного моделирования натурных условий работы линз, солнечных элементов и фотоэлектрических ічеек; разработать методики и средства измерения оптико-энергетических сарактеристик малоразмерных линзовых концентраторов, вольт-амперных и спектральных характеристик солнечных элементов, преобразующих сонцентрированное излучение; с использованием разработанных кспериментальных методик и средств провести исследования и обосновать выбор оптимальных конструкций, структур и параметров линз и солнечных элементов для заданных условий их применения; разработать методики и средства и провести исследования характеристик ФЭМ с линзовыми концентраторами и их основных компонентов в лабораторных и натурных условиях и обосновать рекомендации, направленные на улучшение технологии их изготовления и рабочих характеристик; по результатам наземных исследований спрогнозировать характеристики ФЭМ космического назначения в реальных условиях эксплуатации.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем: Впервые в отечественной практике разработан и создан комплекс специализированных методик и средств, который дает возможность проводить высокоточные измерения характеристик гетероструктурных СЭ и ФЭМ с концентраторами излучения и достоверно прогнозировать характеристики СЭ и ФЭМ в реальных условиях эксплуатации на основе результатов лабораторных измерений.
Обоснована необходимость измерения ВАХ СЭ, преобразующих концентрированное солнечное излучение, с учетом реального неравномерного распределения облученности на их поверхности и предложена новая экспериментальная методика корректного моделирования влияния неравномерной облученности СЭ на форму ВАХ с помощью равномерного облучения части элемента излучением высокой плотности.
Впервые показано, что при экспериментальном исследовании влияния температуры на параметры СЭ необходимо обеспечивать реальное или моделирующее его распределение облученности на поверхности элемента, гак как только в этом случае результаты исследований температурных іависимостей фотоэлектрических параметров и КПД СЭ могут быть травильно учтены при оптимизации структуры и конструкции элементов, предназначаемых для конкретных условий эксплуатации.
Обоснована возможность распространения методики ускоренных радиационных испытаний, применяемой при исследованиях планарных СЭ, на элементы, преобразующие концентрированное излучение.
Впервые установлена зависимость КПД и радиационной стойкости однопереходных СЭ с Брэгговским отражателем, изготовленных методом МОС-гидридной эпитаксии, от параметров структуры и обоснован выбор уровня легирования (No) и толщины (dn) n-GaAs слоя для достижения максимальных значений КПД в начале или конце эксплуатации на радиационно-опасной орбите.
Показана возможность достижения рекордных значений плотности фототока (-35-36 мА/см ) в однопереходных СЭ, изготовленных методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), и получения этим методом элементов с высокой радиационной стойкостью.
Разработана новая электролюминесцентная методика для исследования внутреннего сопротивления многопереходных СЭ, выполненных на прямозонных полупроводниковых материалах, которая позволяет количественно определять вклад каждой из компонент внутреннего :опротивления в суммарные потери мощности и оценивать возможности использования СЭ данной структуры и конструкции для преобразования гонцентрированного излучения с известной неравномерностью распределения облученности.
Впервые в отечественной практике проведен полный комплекс ісследований характеристик экспериментальных космических ФЭМ с фуговыми линзами Френеля в процессе их подготовки к летному эксперименту на космическом аппарате «Молния-ЗК» и корректно прогнозированы характеристики модулей в условиях орбитального полета.
Разработан, изготовлен и исследован экспериментальный макет осмического модуля с линейными линзами Френеля и двухпереходными ialnP/GaAs СЭ и произведена расчетная оценка КПД модуля для условий осмоса.
Практическая ценность работы заключается в том, что в результате проведенных исследований:
Разработан и создан импульсный имитатор солнечного излучения, позволяющий комплексно и с высокой точностью моделировать не только спектральный состав (АМО) и плотность (1367 Вт/м ) светового потока, но и угловую расходимость (32') солнечного излучения. Имитатор является основным элементом измерительного комплекса для исследования оптико-энергетических характеристик малоразмерных линзовых концентраторов и вольт-амперных характеристик фотоэлектрических ячеек космических модулей, дает возможность прогнозировать их реальные рабочие характеристики по результатам лабораторных исследований и может широко использоваться в научных и промышленных организациях, разрабатывающих солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) с концентраторами излучения.
Разработан и создан компьютизированный экспериментальный комплекс, позволяющий измерять спектральные зависимости внешнего и внутреннего квантового выхода фотоответа, коэффициентов отражения и пропускания двухвыводных многопереходных СЭ с монолитной структурой. Комплекс может быть использован для исследования спектральных характеристик СЭ, преобразующих как прямое, так и концентрированное юлнечное излучение, при отработке технологических процессов их ізготовления.
3. С использованием разработанных методов и средств измерений гроведены экспериментальные исследования линз и СЭ, преобразующих юнцентрированное солнечное излучение, которые позволили: методом полимеризации силиконового эластомера в негативно профилированной матрице создать линзы Френеля с КПД 82-84% без использования просветляющих покрытий; методами МОС-гидридной и низкотемпературной жидкофазной эпитаксий создать высокоэффективные однопереходные AlGaAs/GaAs
СЭ с высокой радиационной стойкостью, которые были использованы при создании ФЭМ для летно-космического эксперимента; - оптимизировать контактную структуру и просветляющее покрытие двухпереходных монолитных GalnP/GaAs СЭ для фотоэлектрических модулей с линейными линзами Френеля. 4. Разработаны методики и созданы средства для проведения комплексного тестирования космических ФЭМ с концентраторами излучения в наземных условиях, которые были использованы при исследовании характеристик экспериментальных ФЭМ с круговыми линзами Френеля при их подготовке к летному эксперименту на космическом аппарате «Молния-ЗК» и прогнозировании характеристик модулей в условиях орбитального полета.
Научные положения, выносимые на защиту:
Методики экспериментального моделирования солнечного излучения, позволяющие учитывать взаимосвязанное влияние плотности, спектрального состава и угловой расходимости прямого излучения на процесс его концентрирования линзами и неравномерности распределения сконцентрированного излучения на процесс фотоэлектрического преобразования.
Комплекс методик и средств для исследования элементов фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения на основе измерения оптико-энергетических характеристик минилинз Френеля, вольт-амперных характеристик гетероструктурных солнечных элементов, в том числе - многопереходных, и спектральных зависимостей внешнего и внутреннего квантового выхода фотоответа, коэффициентов отражения и пропускания.
Результаты дифференциальной и интегральной диагностики оптико-энергетических характеристик круговых и линейных линз Френеля, которые позволили установить зависимости между средним уровнем концентрации солнечного излучения и оптическим КПД системы «линза-приемник», показавшие, что этот КПД достигает 83-84% при Кср = 75 в случае круговой линзы и 80-82% при Кср «8-9 в случае линейной.
Установленные зависимости КПД и радиационной стойкости от параметров структуры AlGaAs/GaAs СЭ с Брэгговским отражателем, изготовленных методом МОС-гидридной эпитаксии, которые показали, что максимальный начальный КПД СЭ (-22%, АМО) достигается при уровне легирования ND=1-10 см" и толщине dn=2-r2.5 мкм n-GaAs слоя, а наиболее высокий КПД после радиационного облучения электронами с энергией 3 МэВ и дозой 1-10 е/см , равный 15.8%, - при ND=1-10 см" и dn=l.l-1.5 мкм (в этом случае максимальный начальный КПД СЭ составляет ~21%).
Результаты экспериментальных исследований однопереходных концентраторных AlGaAs/GaAs СЭ, изготовленных методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии, которые позволили создать элементы с рекордными значениями плотности фототока (35-36 мА/см ) и высокой радиационной стойкостью при облучении электронами с энергией 3 МэВ и дозой до 1-Ю е/см . Такими СЭ и элементами с Брэгговским отражателем оснащены фотоэлектрические модули, проходящие летно-космические испытания.
Установленные зависимости темпа температурной деградации фотоэлектрических параметров и КПД концентраторных СЭ от характера распределения облученности на их поверхности, которые показали, что для правильной оценки температурных коэффициентов их измерения необходимо проводить при реальной или моделирующей ее неравномерной облученности солнечных элементов.
7. Результаты экспериментальных исследований радиационной стойкости AlGaAs/GaAs СЭ с р-n переходом в GaAs, которые позволили остановить отсутствие совместного влияния повышенной температуры и іеравномерной освещенности на точность оценки степени радиационной (еградации фотоэлектрических параметров концентраторных СЭ при [роведении ускоренных радиационных испытаний.
8. Комплекс методик и средств для исследования и прогнозирования характеристик фотоэлектрических модулей с линзовыми концентраторами излучения, с использованием которых были проведены измерения выходных параметров экспериментальных модулей космического назначения в лабораторных условиях и получены обоснованные оценки их реальных значений в условиях космоса.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 209 страниц сквозной нумерации, в том числе 141 страницу машинописного текста, 100 рисунков, 7 таблиц и список цитируемой литературы из 135 наименований.
Краткое содержание работы:
В первой главе показана перспективность развития и применения солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами излучения, обоснована актуальность разработки и создания методов и средств исследования фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения и их компонентов, проведен анализ состояния и развития методик и средств исследования характеристик фотоэлектрических систем преобразования юлнечной энергии, сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Во второй главе рассматриваются способы моделирования натурных условий работы элементов фотоэлектрических модулей при лабораторных ісследованиях.
Третья глава посвящена разработке методов и средств исследования лементов фотоэлектрических ячеек, состоящих из линз и СЭ, [реобразующих концентрированное излучение, дано описание разработанных [змерительных комплексов.
В четвертой главе представлены результаты исследования арактеристик элементов фотоэлектрических ячеек с концентраторами олнечного излучения: круговых и линейных линз, одно- и двухпереходных
В пятой главе представлены методы, средства и результаты исследования характеристик фотоэлектрических модулей с линзовыми концентраторами и их компонентов в лабораторных и натурных условиях.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 1-й и 2-й Всемирных конференциях по преобразованию солнечной энергии (Гавайи, США, 1994 г. и Вена, Австрия, 1998 г.), 6-м Международном симпозиуме по преобразованию солнечной энергии (г. Сде-Бокер, Израиль, 1994 г.), 4-й и 5-й Европейских конференциях по космической энергетике (Пуатье, Франция, 1996 г. и Тарагона, Испания, 1998 г.), 25-й, 28-й и 29-й Конференциях специалистов по фотоэлектричеству (Вашингтон, 1996 г., Анкоридж, 2000 г. и Новый Орлеан, 2002 г. США), 16-й и 17-й Европейских конференциях по преобразованию солнечной энергии (Глазго, Великобритания, 2000 г. и Мюнхен, Германия, 2001 г.) и на международной рабочей группе по стандартизации и измерениям космических солнечных элементов (Фрайбург, Германия, 2001 г.).
Публикации по теме диссертации
Всего по теме диссертации опубликовано 40 работ. Основные научные положения и результаты работы представлены в 25 печатных трудах, среди которых 4 опубликованы в журналах и 21 - в материалах конференций.
Анализ состояния и развития методик и средств исследования характеристик фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии
Методики и средства метрологического обеспечения исследований и разработок фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии, в том числе и с концентраторами излучения, необходимы при поиске новых технических решений и отработке технологии производства их элементов, для контроля качества и сертификации готовой продукции, прогнозирования характеристик космических СФЭУ по результатам наземных испытаний и т.п. Проблема точных измерений характеристик ФЭМ и их компонетов связана, прежде всего, с корректным моделированием стандартных параметров солнечного излучения (интенсивности, спектрального и углового распределения энергии, однородности и стабильности потока) и других реальных условий работы исследуемых элементов и модулей. Для плоских солнечных элементов и фотоэлектрических модулей в настоящее время хорошо разработаны методы и средства моделирования условий их работы при измерении характеристик и приняты международные стандарты, регламентирующие применение этих методов и средств. Наибольшее распространение получили стандарты, разработанные Комитетом по возобновляемым источникам энергии при Американском обществе по испытаниям материалов (ASTM), Международной электротехнической комиссией (IEC) и Международной организацией по стандартизации (ISO) [16-37].
В различных научно-исследовательских институтах и аттестационных центрах мира разработано значительное количество методик и имеются соответствующие средства измерений, которые позволяют не только исследовать характеристики плоских СЭ и модулей на их основе [32-47], но и определять параметры излучения имитаторов [48-53] и оценивать влияние различных отклонений этих параметров от требуемых значений на точность и воспроизводимость результатов измерений [38, 54-61], а также проводить эталонирование СЭ [38, 62-68]. С целью повышения точности измерений и снижения систематических погрешностей постоянно проводятся измерения параметров эталонных СЭ в различных организациях с последующим сравнением результатов и практикуются ежегодные специализированные кампании по аттестации плоских СЭ различного назначения [69-73]. Таким эбразом, можно констатировать, что исследования, разработки и испытания шоских СЭ и модулей в настоящее время имеют хорошее метрологическое обеспечение, которое постоянно развивается и совершенствуется. Однако разработанные стандартные методики и средства исследований і эталонирования плоских СЭ и модулей не учитывают многие ;пецифические особенности ФЭМ с концентраторами и не отвечают ряду требований к условиям измерения характеристик их компонентов, которые заключаются в следующем: 1. При измерении характеристик компонентов ФЭМ с концентраторами в лабораторных условиях необходимо точно моделировать угловую расходимость солнечного излучения, так как иначе распределение облученности на поверхности солнечного элемента не будет соответствовать реальному. При исследовании плоских СЭ и модулей выполнение этого требования не является обязательным и во многих случаях используется поток излучения с весьма значительной расходимостью [18]. 2. Спектр излучения должен строго соответствовать АМО или AM1.5D в связи с существенным влиянием хроматических аберраций линзовых концентраторов на распределение облученности в околофокальной области. В случае плоских СЭ можно использовать различные способы корректировки спектрального несоответствия излучения имитатора солнечному [37, 58, 60, 65]. 3. Плотность излучения должна быть равна солнечной постоянной Ес = 1367 Вт/м для спектра АМО или Ес = 1000 Вт/м для спектра AM1.5D, так как иначе характеристики солнечных элементов с концентраторами не будут соответствовать реальным, в то время как для плоских СБ плотность излучения может корректироваться в соответствии со спектром [37, 41, 60, 65]. 4.
Измерения ВАХ концентраторных СЭ должны производиться при неравномерном распределении облученности, соответствующем реальному под линзой), в то время как для СЭ плоских СБ оно, наоборот, должно быть эавномерным, что соответствует условиям их работы [18, 36, 37, 51, 60]. Таким образом, можно заключить, что методы и средства моделирования, применяемые для исследования характеристик плоских СЭ и 2В, в основном не могут быть использованы при исследовании характеристик ФЭМ с концентраторами излучения и их компонентов, для которых необходимо разрабатывать специальные средства моделирования и методики измерений. Из литературы известны немногочисленные примеры организации измерений ФЭМ с концентраторами излучения. Основные трудности при таких измерениях связаны с обеспечением требуемых характеристик светового потока имитатора и, прежде всего, угловой расходимости излучения. Так, например, при разработке и создании в США экспериментального космического ФЭМ с выпуклыми линзами Френеля [9]
Моделирование тепловых режимов работы СЭ
Неравномерность облучения поверхности СЭ, преобразующих :онцентрированное солнечное излучение, может оказывать дополнительное лияние на температурную зависимость КПД. Возрастание внутренних мических потерь при неравномерном облучении сказывается на форме ВАХ, о есть на факторе заполнения ВАХ, который в условиях равномерной блученности относительно слабо зависит от температуры. Однако овместное влияние неравномерной облученности и температуры может овлиять на температурную зависимость фактора заполнения и, как ледствие, на величину температурного коэффициента КПД. Следовательно, для корректной оценки температурной зависимости ПД фотопреобразователей концентрированного солнечного излучения с четом их неравномерной засветки при измерении ВАХ необходимо беспечивать температуру СЭ, соответствующую реальным условиям его сплуатации, и иметь возможность изменять ее в требуемом диапазоне зависимо от уровня и распределения облученности. Кроме того, при ізработке СЭ, преобразующих концентрированное излучение, результаты исследований температурных зависимостей КПД, напряжения холостого хода и фактора заполнения ВАХ могут оказать существенное влияние на выбор структуры и конструкции СЭ в зависимости от условий его дальнейшей эксплуатации. Использование импульсных имитаторов для измерения ВАХ СЭ эбеспечивает неизменность температуры СЭ за время светового импульса. В этом случае моделирование температурного режима может быть обеспечено тутем контролируемого нагрева СЭ или основания, на котором он останавливается.
Однако, требования к системе нагрева и системе стабилизации температуры СЭ могут зависеть от типа используемого імпульсного ИСИ. При измерении ВАХ СЭ на имитаторе с малой глительностью светового импульса необходимо иметь хорошую систему стабилизации температуры, так как процесс измерения всей ВАХ СЭ $ключает в себя около 10-15 световых вспышек и занимает достаточно іродолжительное время (см. п. 3.2.1.). Использование импульсного ИСИ с продолжительностью светового импульса 1 мсек (измеряется вся ВАХ за »дну вспышку) позволяет одновременно фиксировать и точное значение емпературы. Поэтому для импульсного имитатора (см. п. 2.2.) был азработан массивный столик, нагрев которого осуществляется встроенной алогенной лампой от стабилизированного источника тока (рис. 2.14), что беспечивает электрическую изоляцию нагревателя от нагреваемого столика, оторый одновременно выполняет роль измерительного вывода от СЭ. емпературная инерционность такой конструкции позволяет поддерживать аданную температуру в течение времени, достаточного для измерения ескольких ВАХ. Контроль температуры может осуществляться в двух режимах с омощью термопары располагаемой непосредственно около СЭ (точность 1 С) или по калиброванной зависимости температуры столика от падения апряжения на лампе-нагревателе (точность ±3С, в зависимости от емпературы окружающего воздуха). Таким образом, в установке для измерения ВАХ СЭ на основе импульсного имитатора излучения обеспечена возможность исследования совместного влияния реального (или его заменяющего) распределения плотности сконцентрированного излучения по поверхности СЭ и гемпературы на ВАХ и КПД СЭ при независимом изменении этих факторов в достаточно широких пределах. В процессе эксплуатации элементы ФЭМ подвергаются радиационному воздействию потоков высокоэнергетичных электронов и протонов. Наиболее гувствительны к повреждающему действию этих частиц полупроводниковые юлнечные элементы. Поэтому при разработке и создании ФЭМ космического іазначения обеспечению повышенной радиационной стойкости СЭ уделяется юлыпое внимание. Для прогнозирования радиационной деградации параметров СЭ в фбитальных условиях используются результаты лабораторных испытаний их [увствительности к воздействию потоков моноэнергетичных электронов и протонов. При этом технико-экономические и экологические ограничения обусловливают необходимость проведения ускоренных испытаний СЭ, т.е. моделирование эффектов радиационного повреждения СЭ в течение времени, шторое на несколько порядков меньше периода функционирования в эеальных условиях. Это достигается тем, что исследуемые СЭ облучаются потоком электронов или протонов, плотность которого существенно выше плотности потока частиц в околоземном космическом пространстве. Одной из основных научных проблем ускоренных испытаний СЭ івляется обоснование требований к условиям их проведения. Ранее было показано [109], что для кремниевых СЭ деградация фотоэлектрических параметров определяется интегральным потоком (дозой) частиц и практически не зависит от времени облучения.
Поэтому при проведении радиационных испытаний таких СЭ основным требованием является обеспечение заданного интегрального потока частиц, а максимальная интенсивность воздействия (10 - 10 частиц/см сек) определяется условием поддержания температуры СЭ, близкой к рабочей (60...70 С). Не наблюдается также влияние освещения на темп радиационной деградации при любой скорости облучения. Получаемые результаты используются как при сравнении СЭ по показателям радиационной стойкости, так и при прогнозировании радиационной деградации кремниевых элементов в іаданньїх орбитальных условиях. Корректное использование таких результатов при решении второй из указанных задач как раз и базируется на остановленной независимости радиационной деградации кремниевых СЭ от штенсивности радиационного облучения при любой температуре и освещенности в диапазоне изменения этих величин в натурных условиях сосмического полета, моделируемых при наземных лабораторных испытаниях. В случае же СЭ на основе соединений А В , и, прежде всего, греобразующих концентрированное солнечное излучение, жспериментальные результаты лабораторных испытаний могут іспользоваться только для сравнения СЭ с различной внутренней структурой то показателям радиационной стойкости с обязательной оговоркой на условия проведения испытаний. Объясняется это тем, что для таких шементов не выполняются условия независимости деградации фотоэлектрических параметров от интенсивности радиационного облучения в )еальных условиях работы, которые характеризуются повышенными ровнями освещенности и температуры. Однако, организация и проведение гскоренных радиационных испытаний концентраторных СЭ с корректным юделированием всех или нескольких воздействующих факторов, которые овместно влияют на скорость радиационной деградации элементов, в олынинстве случаев оказываются труднореализуемыми.
Поэтому в ависимости от цели и задач исследования в каждом конкретном случае [еобходимо обосновывать требования к условиям проведения ускоренных спытаний СЭ, выполнение которых обеспечит достаточную корректность рогнозных оценок радиационной деградации элементов в реальных словиях эксплуатации. Анализ результатов известных теоретических и экспериментальных сследований влияния освещенности и температуры на радиационную еградацию концентраторных СЭ [104-116] позволяет сделать следующие ыводы:
Методика и средства измерения В АХ СЭ при моделировании влияния неравномерной облученности его поверхности
Для проведения измерений ВАХ с использованием импульсного шитатора, позволяющего моделировать влияние реальной облученности СЭ : помощью накладных диафрагм, был использован усовершенствованный івтоматизированньїй комплекс, состоящий из следующих основных юдсистем (рис. 3.7): - импульсного имитатора 1 с источником питания 5, с устройством :аналирования изучения 3 и набором сменных диафрагм различной :онфигурации 4 (см. п.2.2.); - функционального блока 2; - запоминающего двухканального осциллографа (тип С1-137/2) с налоговым выходом на ПК 6; - ПК типа IBM PC 486 с управляющей программой 7. На рис. 3.8 представлен общий вид устройства для экспериментального юделирования неравномерной облученности поверхности СЭ с помощью рубчатых диафрагм. функциональный блок включает в себя нагревательный столик с прижимным онтактом и электрическую измерительную цепь обратного смещения с ильноточным коммутатором (рис. 3.9). Сигнал от ПК запускает время-адающую схему, которая инициирует вспышку лампы. В период горения ампы ( 1 мсек) происходит измерение ВАХ. Программа отображает ВАХ на кране имитатора и проводит расчет всех параметров ВАХ СЭ: Ik3, Uxx, FF, -Ср, КПД. Столик имеет встроенный нагревательный элемент, управляемый г выхода источника питания, для обеспечения требуемой температуры СЭ ри измерении ВАХ (см. п. 2.3). Рис. 3.8 Общий вид устройства для экспериментального моделирования paвнoмepнoй облученности поверхности СЭ с помощью трубчатых гафрагм. Перед проведением измерений осуществляется настройка имитатора, ІХОДЯЩЄГО в состав рассматриваемого комплекса. В процессе настройки один із серии разрабатываемых и исследуемых СЭ устанавливается в фокальной шоскости линзы на измерительном комплексе, включающем ИСИ с моделированием углового размера Солнца, и определяется его исходная ВАХ І условиях, близких к реальным (см. п. 3.2.1). Затем СЭ перемещается на толик функционального блока комплекса с имитатором, моделирующем [еравномерную облученность на поверхности СЭ, и на его юточувствительную поверхность опускается затеняющая диафрагма. Изменением расстояния между лампой и СЭ устанавливается такая облученность в пределах диафрагмы, при которой величина генерируемого ютотока совпадает с величиной фототока исходной ВАХ и измеряется ВАХ 3. Если она не совпадает с исходной, то размер диафрагмы меняется и станавливается другая облученность.
Процедура повторяется до тех пор, ока измеряемая ВАХ максимально близко не будет повторять ВАХ, змеренную под линзой (см. рис. 2.10). После настройки имитатора осуществляется измерение вольт-амперных арактеристик серии исследуемых СЭ данной структуры и технологии зготовления. Благодаря оперативности измерений (вся ВАХ за одну вспышку) и втоматизированной обработке их результатов исследования СЭ могут существляться быстро и с высокой точностью. В процессе измерения ВАХ определяется влияние на КПД СЭ полных мических потерь (по величине фактора заполнения и форме ВАХ) и ммарного влияния оптических и рекомбинационных потерь (по величине жа короткого замыкания). В случае, если потери эти велики и приводят к дцественному снижению КПД, необходимо осуществить их более детальное следование с использованием других методов. Исследование температурных зависимостей параметров СЭ, іреобразующих концентрированное излучение, имеет важное значение для іравильного прогнозирования их характеристик в реальных условиях іксплуатации на основе лабораторных измерений. В ряде работ [93-95, 100] исследования температурных зависимостей іараметров таких элементов проводились в условиях повышенной )блученности, равномерно распределенной по поверхности СЭ, что упрощало іроведение экспериментов. Однако, как отмечалось в п. 2.3, неравномерность )блученности СЭ может оказывать определенное влияние на зависимости их іараметров от температуры. Поэтому при исследовании этих зависимостей, [режде всего, необходимо оценить влияние на них характера распределения (блученности по поверхности СЭ. Таким образом, задача исследований в данном случае состояла в шределении и сопоставлении температурных зависимостей jK3(t), Uxx(t), FF(t), 1сэ(Х) измеренных при неравномерном и равномерном распределении блученности, с целью обоснования методики проведения соответствующих кспериментов. Для исследования использовался измерительный комплекс, описанный п. 3.2.2. В случае неравномерной облученности после подбора размера атеняющей диафрагмы и плотности потока излучения, при которых змеряемая ВАХ максимально близко повторяет ВАХ этого же СЭ, змеренную под линзой при t=25 С, осуществлялся нагрев СЭ до =100 -120 С. В процессе ступенчатого нагрева производились измерения АХ СЭ с одновременной регистрацией температуры. По результатам змерений построены зависимости jK3(t), Uxx(t), FF(t), гсэ(Х), представленные арис. 3.10. Затем затеняющая диафрагма снималась и исследуемый СЭ облучался равномерно с интенсивностью, при которой величина генерируемого ютотока совпадает с величиной фототока этого же СЭ, измеренного под шнзой.
Процедура нагрева и измерения ВАХ повторялась в том же диапазоне :емператур. Результаты эксперимента также представлены на рисунке 3.10. Плотность фототока при нагреве СЭ увеличивается практически шнейно (см. рис. ЗЛО, а), так как при повышении температуры возрастает щффузионная длина неосновных носителей заряда (ННЗ) и край поглощения вмещается в область более низких энергий из-за уменьшения ширины іапрещенной зоны (Eg). Но изменение диффузионной длины ННЗ и ширины ;апрещенной зоны, а, следовательно, и величины плотности фототока не іависят от характера распределения облученности, а потому, зависимости кз(і) при неравномерной и равномерной облученностях СЭ совпадают. Снижение напряжения холостого хода является, как известно, юзультатом увеличения обратного тока насыщения с ростом температуры. Три неравномерной облученности поверхности СЭ начальное значение Uxx іесколько снижается в силу шунтирования фототока неосвещенной частью 23 (см. рис. 3.10, б). Однако скорость температурной деградации Uxx при іереходе от неравномерной к равномерной облученности не изменяется, что )бъясняется независимостью обратного тока насыщения от распределения )блученности. Фактор заполнения ВАХ FF, также как и Uxx , уменьшается с ростом братного тока насыщения.
Кроме того, уменьшение фактора заполнения ЗАХ обусловлено температурной зависимостью фототока. Возрастание [ютотока усиливает неравномерность генерации носителей, определяемую тспределением облученности, что ведет к более интенсивному снижению FF ; ростом температуры (см. рис. 3.10, в). Очевидно, что именно такое юведение FF определяет характер температурной деградации КПД см. рис. 3.10, г). 80 100 8 Следует отметить, что с изменением параметров структуры СЭ, а іменно, толщины p-GaAs слоя и шага контактных полос, а также формы тспределения облученности на поверхности элемента, будут изменяться и емпературные зависимости FF и КПД. Но в любом случае при іеравномерном облучении СЭ они будут отличаться от соответствующих ависимостей, определяемых при равномерной освещенности. Таким образом, при экспериментальном исследовании влияния емпературы на параметры СЭ всегда необходимо обеспечивать на юверхности элемента реальное или моделирующее его распределение іблученности.
Исследование характеристик солнечных элементов
При разработке и создании СЭ, предназначенных для работы в составе ЮЯ с определенным типом концентратора необходимо производить сестороннее исследование их характеристик с целью выявления озможностей снижения оптических, рекомбинационных и омических потерь получения высоких значений КПД. Все эти исследования должны роизводиться с учетом реальных условий работы СЭ в составе ФЭЯ, а также нешних воздействующих факторов, прежде всего космической радиации. Результаты исследований различных СЭ, преобразующих онцентрированное излучение, представлены ниже. По результатам измерений ОЭХ круговых линз и с учетом требований к очности ориентации ФЭЯ был выбран диаметр фоточувствительной оверхности СЭ 3 мм (см. п 4.1.2), что при малом размере фокального пятна в круге диаметром 2 мм сосредоточено более 80% энергии) ведет к силению влияния неравномерности облученности на ВАХ СЭ, то есть к озрастанию омических потерь.
Для снижения этих потерь необходимо: -обеспечить минимальное сопротивление верхнего фотоактивного слоя в частности, за счет увеличения его толщины и уровня легирования, а также юсредством оптимизации шага контактных полос); - уменьшить контактное сопротивление; - снизить величину продольного сопротивления контактных полос за чет увеличения их поперечного сечения (в частности, ширины). Однако изменение структуры и конструкции СЭ для удовлетворения [еречисленным требованиям может привести к увеличению оптических [отерь за счет затенения поверхности СЭ широкими токоотводящими юнтактами, а также рекомбинационных потерь в толстом ильнолегированном p-GaAs материале и, как следствие, к падению КПД. аким образом, для достижения максимального КПД СЭ необходимо было ешить задачу комплексной оптимизации структуры и конструкции СЭ с четом возможностей и особенностей технологии изготовления олупроводниковых структур таких СЭ. Для изготовления структур использовался метод низкотемпературной :идкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [128, 129]. В исследуемых СЭ толщина ерхнего AlGaAs широкозонного окна составляла 0,05 мкм для обеспечения ысокой ультрафиолетовой фоточувствительности. Уровень легирования р-raAs слоя составлял 2-ьЗ-1018 см"3. Структура СЭ изображена на рис. 4.10. Определение оптимальных параметров структуры и конструкции СЭ роводилось в несколько этапов. На первом этапе определялась толщина -GaAs слоя, при которой возможно получение максимальной плотности ютотока. Для исследования была создана серия контрольных СЭ с азличной толщиной p-GaAs фронтального слоя. Для каждого СЭ роводилось измерение спектральной зависимости внешней квантовой ффективности и спектра отражения с использованием разработанных [етодик и оборудования (см п. 3.4). По результатам измерений ассчитывалась спектральная зависимость внутренней квантовой ффективности (Qeuymp (V)-
Это позволяло оценить величину екомбинационных потерь, связанную с изменением толщины р-слоя. іеличина плотности тока определялась расчетным путем на основе олученных зависимостей QeHymp (Я) для соответствующего спектрального аспределения плотности потока солнечного излучения (АМО) (рис. 4.11). езультаты экспериментов показали, что при толщине р-слоя 0,8ч-1.5 мкм аблюдается максимум величины плотности генерируемого фототока СЭ jK3). Спектральные зависимости внешней и внутренней квантовых ффективностей и коэффициента отражения для СЭ с толщиной р-слоя 0.85 ікм представлены на рис. 4.12. С целью снижения контактного сопротивления к р-слою и улучшения обирания носителей в части толщины р-области, прилегающей к етерогранице, был увеличен уровень легирования до 10 см" . При этом за чет плавного уменьшения концентрации акцепторов от гетерограницы к р-п [ереходу было создано встроенное электрическое поле, позволяющее ъеличить эффективную диффузионную длину электронов и компенсировать ютери носителей за счет рекомбинации на границе металл-полупроводник. В »езультате удалось обеспечить малое контактное сопротивление и несколько низить слоевое сопротивление р-области. Однако, при толщине p-GaAs слоя 0,8-1,5 мкм не может быть беспечена высокая радиационная стойкость СЭ. С целью повышения адиационной стойкости целесообразно уменьшить толщину р-слоя в ассматриваемой структуре до 0,5-0,7 мкм, но в этом случае снижается зличина jK3 из-за усиления влияния рекомбинационных потерь на границе еталл-полупроводник на собирание носителей в тонком р-слое, а также озрастает вероятность замыкания р-п перехода металлическим контактом. Поэтому было рекомендовано изменить структуру СЭ за счет введения р+ - GaAs контактного слоя.
Для изготовления таких многослойных .IGaAs/GaAs гетероструктур использовался метод двухстадийной изкотемпературной ЖФЭ [128, 130]. Структура СЭ включала (рис. 4.13): п-raAs (п = 10 см" ) подложку, слой n-Al0.iGa0.9As, создающий тыльный отенциальный барьер, n-GaAs (п = 3-10 см") базовый слой, p-GaAs ) = 1019 см"3) эмиттер, p-Alo.9Gao.1As широкозонное окно и p+-GaAs ) 10 см") контактный слой. Толщины слоев указаны на рисунке 4.13. Для снижения слоевого сопротивления p-GaAs слоя и увеличения )фективной диффузионной длины неосновных носителей заряда (НТО) в яльнолегированном р-материале проводилась дополнительная изкотемпературная диффузия цинка. Это позволило создать встроенное тектрическое поле в фотоактивном p-GaAs слое и одновременно несколько величить концентрацию дырок в р+ - GaAs контактном слое. Контактная структура СЭ представлена на рис. 4.14. Тонкие олосковые контакты изготавливались шириной 10 -15 мкм и с шагом 00 мкм. Оптические потери на затенение в этом случае составили 7-8%. В естах свободных от контактов p+-GaAs слой стравливался и на поверхность [ирокозонного окна наносилось двухслойное антиотражающее покрытие nS/MgF2. Величина плотности фототока для таких СЭ составляла 33-34 7 7 А/см (АМ0, 1367 Вт/м ). Однако, уменьшение толщины p-GaAs слоя не огло не сказаться на увеличение вклада слоевого сопротивления в потери ощности при неравномерной облученности СЭ через линзу (рис. 4.15).
