Оценка эффективности просветления многокаскадного фотоэлектрического преобразователя на начало и конец срока активного существования

Язык труда и переводы:
УДК:
621.383
Дата публикации:
26 декабря 2021, 02:08
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Чуянова Елена Сергеевна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Рябцева Мария Владимировна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Лебедев Андрей Александрович
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Вагапова Наргиза Тухтамышевна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС», РТУ «МИРЭА»
Аннотация:
Проведены расчеты по оценке мощности фотоэлектрического преобразователя на основе InGaP/InGaAs/Ge с просветлением на длинах волн 500, 600, 700 нм. Расчеты проводились на основе спектров внешнего квантового выхода фотоотклика фотоэлектрического преобразователя, подвергшихся облучению электронами с энергией 1 МэВ и флюенсом 10^15 см^–2. Установлено, что наибольшая деградация по мощности наблюдается у фотоэлектрического преобразователя с просветлением на 500 нм (примерно 4 %), наименьшая — на 600 и 700 нм (примерно по 1,5 %). Также установлено, что ФЭП с просветлением на 600 нм на начало и конец срока активного существования обладает наибольшей мощностью.
Ключевые слова:
фотоэлектрический преобразователь, просветление, антиотражающее покрытие, деградация, вольт-амперная характеристика, внешний квантовый выход фотоотклика, срок активного существования
Основной текст труда

В настоящее время в космической отрасли наиболее эффективными и востребованными считаются многокаскадные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе материалов АIIIВV. Для достижения высокого значения коэффициента полезного действия ФЭП просветляют — на лицевую поверхность ФЭП наносят антиотражающее покрытие (АОП). АОП — тонкая диэлектрическая пленка (пленки), которая уменьшает отражение от поверхности ФЭП за счет интерференционных эффектов. Данные эффекты достигаются, если оптическая толщина АОП кратна четверти длины волны, на которой необходимо иметь наименьшее отражение. Показатель преломления АОП должен быть среднегеометрическим показателей преломления окружающей среды и полупроводниковой структуры.

Как известно, у многокаскадных ФЭП ток короткого замыкания определяется минимальным фототоком каскадов, поскуольку они соединены последовательно. В начале срока активного существования (САС) ток ФЭП ограничивается током верхнего каскада на основе InGaP, тогда как в конце САС — током среднего каскада на основе InGaAs [1]. Таким образом, актуальным становится установление диапазона длин волн, на котором целесообразно просветлять ФЭП для его наиболее эффективной работы в составе солнечной батареи космического аппарата в течение всего САС.

Для проведения сравнительных расчетов мощности  выбрано просветление на длинах волн 500, 600 и 700 нм, так как на длинах волн 500 и 700 нм наиболее эффективно работают верхний и средний каскады соответственно, а, по литературным данным, большинство ФЭП просветляют на 600 нм.

Расчеты проводились по описанной в работе [2] методике, базирующейся на том, что спектр внешнего квантового выхода фотоотклика (ВКВФ) в первом приближении отображает оптические потери (значения обратно пропорциональны значениям спектра отражения). Следовательно, плотность фототока и, соответственно, ток короткого замыкания вычисляются на основе спектров ВКВФ и распределения плотности потока солнечного излучения АМ0.

Для оценки эффективности просветления на конец САС были использованы спектры ВКВФ, полученные в работах [3, 4], где облучение ФЭП на основе InGaP/InGaAs/Ge проводилось электронами с энергией 1 МэВ и флюенсом 1015 см–2. Согласно методам JPL и NRL, широко применяемым для прогнозирования радиационной стойкости ФЭП, деградация по мощности на конец САС (15 лет) для геостационарной орбиты будет такой же, как при облучении электронами с указанными энергией и флюенсом.

Расчеты спектров отражения ФЭП проводились в программе Optilayer. В качестве АОП была использована двухслойная композиция Al2O3/TiO2. Следует отметить, что при проведении расчётов учтено влияние на общее отражение от ФЭП наличия контактной гребёнки на его фотовоспримчивой поверхности, а также присутствия брэгговского отражателя в составе полупроводниковой структуры. Рассчитанный коэффициент отражения на выбранных длинах волн (500, 600, 700 нм) составил примерно 0,1 %.

На основе полученных спектров отражения и ВКВФ были смоделированы вольт-амперные характеристики, а также рассчитаны основные электрические параметры ФЭП площадью 27 см2 и фототоки каждого каскада.

Результаты расчета оптимальной мощности ФЭП с просветлением до и после облучения электронами с флюенсом 1015 см–2 составляют:

– для просветления на 500 нм: 1113 и 1067 мВт;

– для просветления на 600 нм: 1122 и 1096 мВт;

– для просветления на 700 нм: 1063 и 1038 мВт соответственно.

Фототоки верхнего и среднего каскадов ФЭП до и после облучения следующие:

– для ФЭП с просветлением на 500 нм:

1) до облучения: 17,9 и 17,7 мА/см2;

2) после облучения: 17,5 и 17,0 мА/см2;

– для ФЭП с просветлением на 600 нм:

1) до облучения: 17,8 и 19,5 мА/см2;

2) после облучения: 17,4 и 18,6 мА/см2;

– для ФЭП с просветлением на 700 нм:

1) до облучения: 16,9 и 19,5 мА/см2;

2) после облучения: 16,5 и 18,7 мА/см2 соответственно.

Видно, что наибольшей деградацией по мощности подвергся ФЭП с просветлением на 500 нм (4 %). В то время как ФЭП с просветлением на 600 нм и 700 нм имеют примерно одинаковую степень деградации (1,5 %). Это связано с тем, что ток ФЭП с просветлением на 500 нм в отличие от других, рассмотренных в данной работе, после облучения ограничивался током среднего каскада, у которого деградация существеннее, чем у верхнего.

Несмотря на одинаковую степень деградации ФЭП с просветлением на 600 и 700 нм, первый из них демонстрирует большее значение мощности на начало и конец САС.

Таким образом, показано, что, для получения большей мощности  и меньшей деградации ФЭП необходимо определить такую длину волны просветления, на которой фототок верхнего каскада был бы меньше фототока среднего каскада в конце САС и имел максимально возможное значение. Следовательно, просветлять ФЭП целесообразнее на длине волны, находящейся в спектральном диапазоне 500...600 нм.

В настоящее время ведутся трудоемкие работы по получению более точного значения волны просветления.

Литература
  1. Walker D., Nocerino J., Yue Yu. et al. Subcell light current-voltage characterization of irradiated multijunction solar cell // E3S Web of Conferences. 2017. DOI: 10.1051/e3sconf/20171602005
  2. Чуянова Е.С., Рябцева М.В., Генали М.А. Моделирование вольт-амперных характеристик трехпереходных фотоэлектрических преобразователей космического назначения с различными антиотражающими покрытиями // Тез. докл. XXII Науч.-техн. конф. ученых и специалистов, посв. 60-летию полета Ю.А. Гагарина, 75-летию ракетно-космической отрасли и основания ПАО «РКК «Энергия». Королев, 2021. С. 298–300.
  3. Li J., Aierken A., Liu Y. et al. A brief review of high efficiency III–V solar cells for space application // Frontiers in Physics. 2021. Corpus ID 231733954. DOI: 10.3389/fphy.2020.631925
  4. Kellenbenz R., Hoheisel R., Kailuweit P. et al. Development of radiation hard Ga0.50In0.50P/Ga0.99In0.01As/Ge space solar cells with multi quantum wells // IEEE Xplore. 2010. DOI: 10.1109/PVSC.2010.5614525
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.