Анализ конструкций концентраторных модулей на основе многокаскадных фотоэлектрических преобразователей

Первичным элементом системы энергопитания космического аппарата (КА) служит солнечная батарея (СБ). От ее ресурса напрямую зависит срок активного существования (САС) КА. Сегодня для питания большинства КА используются СБ на основе многокаскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) со структурой InGaP/InGaAs/Ge [1]. Данные ФЭП обладают лучшими электрическими показателями по сравнению с классическими Si элементами. Однако для обеспечения КА требуемой мощностью создаются СБ больших площадей, что увеличивает массу изделия, а также вероятность пагубного воздействия факторов космического пространства. Поэтому в качестве альтернативного направления совершенствования фотовосприимчивой электрогенерирующей части СБ космического назначения предложена концентраторная фотоэнергетика.

ФЭП для концентрированного солнечного излучения (КСИ) представляет собой п/п прибор, оптимизированный для эффективного прямого преобразования энергии КСИ в электрическую энергию. Концентрирование солнечного излучения осуществляется за счет оптической системы концентрирования (ОСК), которая вместе с ФЭП для КСИ входит в состав концентраторных модулей (КМ). Принцип действия КМ аналогичен принципу действия обычной СБ, с той разницей, что у КМ солнечные лучи фокусируются ОСК, испытывая рефракцию и отражение. В результате, поглощение КСИ приводит к генерации большого количества электрон-дырочных пар в слоях структуры ФЭП [2].

Использование элементов такого типа позволит увеличить удельные электрические характеристики СБ КА (КПД более 40 % [2]) благодаря повышенному энергосъему (более 380 Вт/м² [3]). В следствие чего для обеспечения КА потребуются СБ меньших площадей. Кроме того, ФЭП КСИ имеют повышенную устойчивость к действию космической радиации за счет экранирующего действия ОСК и других элементов конструкции КМ, а также в результате процессов фотоинжекционного отжига радиационно-индуцированных дефектов за счет энергии, выделенной в результате поглощения концентрированного потока фотонов [4]. Благодаря этим преимуществам ожидается, что САС СБ с КМ составит более 20 лет на геостационарной орбите [3]. Следует отметить, что эти ФЭП экономически выгодны в производстве, поскольку позволяют радикально снизить расход п/п материалов при их изготовлении (с подложки диаметром 100 мм можно получить ~ 55 элементов).

Однако при эксплуатации ФЭП КСИ через его структуру протекает ток большой величины, что повышает рабочую температуру прибора. Это может негативно сказаться на выходных характеристиках СБ. Именно поэтому для создания высокоэффективного КМ важно качественно подойти к выбору составляющих материалов, ОСК и охлаждения. Обычно в состав КМ входят ФЭП КСИ с низким последовательным сопротивлением, способные работать при высоких концентрациях солнечного излучения, что требует соответствующей оптимизации контактной структуры, а также туннельных диодов. Особую сложность вызывает создание эффективной радиационно-стойкой ОСК с малой массой. Механическая конструкция, должна фиксировать ФЭП КСИ и ОСК в заданном взаиморасположении с достаточно высокой точностью. Кроме того, диэлектрические материалы, входящие в состав модуля, должны обеспечивать изоляцию ФЭП КСИ при высоких уровнях напряжения, при этом не препятствуя отводу тепла, осуществляющему поддержку рабочих температур ФЭП КСИ.

В соответствии с конструкцией КМ в первом приближении можно выделить пять основных критериев классификации КМ космического назначения, первым из которых является тип ФЭП КСИ, подразумевающий различия:

• в типе конструкции полос контактной сетки ФЭП (коническая, прямая);
• материале и особенностях исполнения полупроводниковой структуры — каскадные структуры на основе п/п материалов AIIIBV. При этом возможны варианты исполнения по габаритам (точечные и линейные); по реализации шунтирующего диода (интегрированный, отдельный элемент, монолитный); метаморфные, на инородных подложках, 4-х и более каскадные и др.

Второй критерий — по способу реализации ОСК, которые можно рассматривать как различия:

• в типе концентратора (жесткие и гибкие линзы Френеля, рефлекторы и др.);
• кратности концентрирования;
• количестве уровней (одноуровневая и многоуровневая). Например, для увеличения эффективности ФЭП в качестве первичного элемента системы используется линза Френеля, а вторичного — зеркала, отражатели и др.;
• типе концентрирования (линейная и точечная), что определяет габаритные размеры ФЭП.

Третьим критерием является вариативность по типу основания, который чаще всего также играет роль теплоотвода: материал (композит, металл, п/п, печатная плата и др.) и тип основания (сотовое, сплошное, гибкое).

Четвертый критерий основан на различии по типу исполнения коммутации ФЭП в КМ. В частности, использование коммутационных шин или контактных дорожек (в случае использования печатной платы в качестве основания) для соединения элементов между собой или коммутационных проволок — для монтирования ФЭП с малой площадью токосъемных площадок на печатную плату.

Пятый критерий содержит в себе отличие по типу каркасов КМ, которые могут быть механически жесткими, механически подвижными либо гибкими.

Благодаря проведенному литературному обзору результатов работ международных лабораторий была сформирована база перспективных конструкций ФЭП КСИ. В результате была разработана методика, позволяющая оценить эффективность использования того или иного конструктивного решения в части подбора типа КМ для КА. В основе данной работы лежит методика, приведенная в [5]. Она, подготовленная на базе расчета и сопоставления основных абсолютных и удельных параметров СБ КА, позволяет подобрать оптимальный для конкретной нагрузки СБ ФЭП из известных на сегодняшний день. Следует отметить, что простой перенос приведенной в [5] методики на ФЭП КСИ, невозможно, так как эти ФЭП, электрические параметры которых взяты в качестве исходных данных расчета, не являются продуктами массового производства. В связи с этим результаты могут нести лишь оценочный характер. Кроме того, спрогнозировать выходные характеристики ФЭП КСИ на конец САС на данный момент не представляется возможным, из-за недостаточного объема экспериментальных данных влияния фотоинжекционного отжига на радиационную стойкость полупроводниковой структуры ФЭП.

Для проведения оценки влияния внедрения различных типов ФЭП КСИ в конструкцию перспективных СБ на основе вышеизложенного обзора были выбраны следующие виды ФЭП при КСИ 19,5 крат:

• точечные и линейные;
• 1-6-каскадные структуры;
• на основе Si и полупроводниковых  материалов AIIIBV;
• структуры с квантовыми ямами, с нанопроволоками, на основе разбавленных нитридов.

Согласно полученным результатам:

• максимальную мощность СБ позволяют получить 3-каскадные ФЭП точечного типа с квантовыми ямами (2,11 кВт/м²) и 4-каскадные (2,05 кВт/м²);
• при сравнении 3-каскадных элементов точечного и линейного типа наиболее эффективными являются точечные — 43,91 %, тогда как линейные ФЭП имеют эффективность 30,69 %. Однако, вторые надежнее из-за наличия интегрированного шунтирующего диода у каждого элемента. При этом использование линейного типа ФЭП упрощает их коммутацию в КМ из-за меньшего количества элементов;
• при сравнении ФЭП с разным количеством каскадов очевидным становится, что 4-каскадные ФЭП обладают максимальной мощностью, что позволяет получить СБ с большим ресурсом (2,05 кВт/м²);
• среди 3-каскадных точечных ФЭП успешным выбором является структура с квантовыми ямами (2,11 кВт/м²). В случае рассмотрения структур с разбавленными нитридами даже наличие дополнительного каскада не позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики СБ.

Выбор универсального типа ФЭП  КСИ осложняется подбором наиболее эффективного элемента в каждом из рассмотренных критериев КМ, что зависит от целевых задач КА и условий эксплуатируемой орбиты. Однако если сравнить удельную выходную мощность ФЭП для единичной концентрации (~ 360 Вт/м² [5]) и ФЭП КСИ на основе InGaP/InGaAs/Ge, вторые имеют преимущество более чем в 5,5 раз. Таким образом можно сделать вывод, что КМ ФЭП КСИ могут служить хорошим и надежным источником тока для КА, отправляющимся в дальние космические миссии, а также для напланетных станций.