Оценка эффективности внедрения перспективных каскадных фотоэлектрических преобразователей в состав солнечных батарей космических аппаратов

Язык труда и переводы:
УДК:
621.383
Дата публикации:
10 января 2022, 18:02
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Лебедев Андрей Александрович
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Наумова Анастасия Александровна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Рябцева Мария Владимировна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Смирнов Александр Андреевич
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Вагапова Наргиза Тухтамышевна
АО «НПП «Квант», НИТУ «МИСиС»
Аннотация:
Приведен обзор перспективных каскадных фотоэлектрических преобразователей на основе соединений А3В5 (четырех-, пятикаскадные на основе разбавленных нитридов, метаморфные, инвертированные метаморфные) и дана численная оценка влияния их внедрения в конструкцию солнечных батарей с разными вариантами каркасов на основные параметры системы электроснабжения космических аппаратов. Сделан вывод о превосходстве четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей на основе структуры с разбавленными нитридами над другими экспериментальными образцами.
Ключевые слова:
солнечная батарея, полупроводниковые материалы AIIIBV, удельная мощность, многокаскадный фотоэлектрический преобразователь
Основной текст труда

Приведен обзор перспективных каскадных фотоэлектрических преобразователей на основе соединений А3В5 (четырех-, пятикаскадные на основе разбавленных нитридов, метаморфные, инвертированные метаморфные) и дана численная оценка влияния их внедрения в конструкцию солнечных батарей с разными вариантами каркасов на основные параметры системы электроснабжения космических аппаратов. Сделан вывод о превосходстве четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей на основе структуры с разбавленными нитридами над другими экспериментальными образцами.

Анализ эффективности использования различных вариантов фотовосприимчивой электрогенерирующей части (ФГЧ) в составе перспективных солнечных батарей (СБ) космических аппаратов (КА), представленный в работе [1], который был проведен на основе сопоставления результатов расчетов ключевых параметров СБ, показал преимущество внедрения четырехкаскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) размера (4 × 8) см над традиционными трехкаскадными ФЭП на каркасах всех типов (струнном, сетчатом и экспериментальном сотовом каркасе соответственно):

  • по мощности в стартовом объеме (12,62 Вт/м3, 10,81 Вт/м3 и 75,70 Вт/м3) на ~ 4 % в сравнении с СБ из ФЭП (8 × 8) см и на ~ 7 % в сравнении с СБ из ФЭП (4 × 8) см;
  • по мощности в массе 210,54 Вт/кг, 205,63 Вт/кг и 126,72 Вт/кг, против 211,46 Вт/кг, 204,04 Вт/кг и 122,51 Вт/кг для СБ из ФЭП (8 × 8) см и против 197,07 Вт/кг, 192,47 Вт/кг и 118,54 Вт/кг для СБ из ФЭП (4 × 8) см;
  • по удельной мощности (355,90 Вт/м2, 320,32  Вт/м2) на ~ 4 % и 4,5 % в сравнении с СБ из ФЭП (8 × 8) см и на ~ 6,5 % и ~ 7 % в сравнении с СБ из ФЭП (4 × 8) см на начало и конец САС соответственно.

Как видно, они демонстрируют лучшие значения удельной мощности и мощности в стартовом объеме для всех типов каркасов и, что весьма важно, наименьшую деградацию от радиационного излучения на ГСО. По мощности в массе на струнном каркасе их превосходят трехкаскадные ФЭП увеличенного типоразмера, они же конкурируют по удельной массе (1,69 кг/м2, 1,73 кг/м2, 2,81 кг/м2 против 1,61 кг/м2, 1,66 кг/м2, 2,78 кг/м2 на струнном, сетчатом и экспериментальном сотовом каркасе соответственно). Долгое время успехи и достижения в создании альтернативных традиционным GaInP/GaInAs/Ge трех-, четырех- и более каскадных ФЭП носили характер единичных лабораторных образцов и не имелось каких-либо подтверждений промышленного производства ФЭП данных типов. Сегодня, когда в производственной программе ведущих изготовителей ФЭП стали появляться такие преобразователи видится полезным количественно охарактеризовать перспективные СБ на их основе и выделить наиболее приоритетные решения.

В традиционном элементе GaInP/GaInAs/Ge с согласованной решеткой спектральный диапазон от 0,7 до 1,4 эВ, где Ge-каскад генерирует приблизительно 0,2 В. Использование нитридных твердых растворов с шириной запрещенной зоны 1 эВ, таких как GaInNAsSb, обеспечивает меньшее расхождение между шириной запрещенной зоны (ШЗЗ) и энергией фотонов и более высокое напряжение — 0,49 В. Следовательно, использование такого сбалансированного по току каскада может дать рабочее напряжение на 0,3 В выше, чем ФЭП с Ge каскадом. Расчеты показали, что для реалистичной конструкции GaInP/GaAs/GaInNAsSb эффективность САС может увеличиться примерно на 3 % по сравнению с элементом на основе Ge [2]. Более того, включение согласованного с решеткой перехода GaInAsN 1,0 эВ между вторым переходом и нижним Ge-переходом может дать дополнительно на 2 % более высокую эффективность, что в конечном итоге приведет к 32–35 % эффективности в начале САС [3, 4].

Расчетные показатели электрических характеристик на начало САС для четырехкаскадного ФЭП на основе разбавленных нитридов: КПД — 36,9 %; Iкз — 16,4 мА/см2 и Uxx — 3,46 В.

В компании Solar Junction Corp [5] уже разработаны согласованные по параметру решетки трехкаскадные ФЭП космического назначения на GaAs с эффективностью преобразования 31 %. Они работали на низкой околоземной орбите на двух КА, запущенных в июне 2014 г. компанией Aerospace Corporation.

Недавно компания Solar Junction Corp. успешно разработала и продемонстрировала прототип четырехкаскадного ФЭП с нитридным раствором (4J) с КПД 33%.

Технологическая сложность реализации таких стурктур заключается в необходимости двух стадийного роста с использованием МЛЭ (для нитридных слоев) и МОСГЭ (для слоев GaInP) [2, 6, 7].

Другой подход по оптимизации ШЗЗ каскадов ФЭП базируется на уходе от ограничения, связанного с необходимостью использования только лишь изопериодных соединений — создание метаморфного ФЭП с бездефектным, несогласованным с подложкой по параметру решетки материалом и удовлетворительными концентрацией и подвижностью неосновных носителей заряда.

ФЭП 3G31C имеет трехкаскадную структуру InGaP/InGaAs/Ge с буферным InGaAs слоем и распределенным Брэгговским отражателем, позволяющим изменить составы и сдвинуть ШЗЗ в область волн с большей длиной волны, а также создать необходимое несоответствие в параметрах решетки (менее 0,5 %), чтобы рассеять напряжение и одновременно не допустить проникновения дислокаций в фотоактивные слои [8]. Эта технология разрабатывалась на протяжении многих лет AZUR SPACE Solar Power GmbH и партнерами. Эффективность ФЭП в начале САС составляет 30,7 % (параметры на начало и конец САС (облучение электронами с энергией 1 МэВ флюенсом 1014 см-2), соответственно: Uxx = 2,605 В и Uxx = 2,549 В, Iкз = 565 мА и Iкз = 552 мА, Umax = 2,33 мВ и Umax = 2,272 мВ, КПД = 30,7 %, КПД = 29,5 %).

AZUR SPACE Solar Power GmbH в настоящее время производит метаморфные ФЭП в трех видах: 3C44 (для наземного применения), 3G31 (для низкой околоземной орбиты) и 4G32 AlInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge (для геостационарной орбиты) с каскадами, обеспечивающими ШЗЗ 1,9; 1,4; 1,1 и 0,66 эВ, соответственно (параметры на начало и конец САС (облучение электронами с энергией 1 МэВ флюенсом 1015 см-2), соответственно: Uxx = 3,37 В и Uxx = 3,18 В, Iкз = 454 мА и Iкз = 445 мА, Umax = 2,92 мВ и Umax = 2,73 мВ, КПД = 30,7 %, КПД = 27,8 %).

Инвертированный метаморфный ФЭП (IMM) разрабатывается примерно с 2007 года, при этом созданы лабораторные образцы с 6 каскадами. Рост структуры методом МОСГЭ происходит в перевернутом виде, причем сначала выращиваются согласованные с подложкой по параметру решетки широкозонные переходы, а затем два несогласованных по параметрам решетки перехода. После этого конструкцию переворачивают, устанавливают на носитель, а подложку удаляют. Такой подход привел к достижению КПД в начале САС от 33% до 37% (AM0) [8].

Для реализации высокой удельной мощности в SolAero были разработаны высокоэффективные инвертированные метаморфные ФЭП на основе материалов InGaP/GaAs/InGaAs (IMM-3J) двух типов с высокой радиационной стойкостью и высокими характеристиками на начало САС.

Реализованы инвертированные метаморфные структуры, состоящие из каскадов GaInP (1,9 эВ), GaAs (1,42 эВ), Ga0.73In0.27As (1,05 эВ) и Ga0.47In0.53As (0,75 эВ). В настоящее время достигается КПД 30,8 % (AM0). Расчетные показатели на начало САС для инвертированного метамофрного ФЭП составляют: КПД – 38,4 %; Iкз – 16,4 мА/см2 и Uxx – 3,62 В. По сравнению с ФЭП на основе разбавленных нитридов наибольший потенциал улучшения наблюдается у значения Uxx (3,62 В вместо 3,46 В). Однако одним из недостатков применения таких ФЭП в космосе является то, что метаморфные структуры демонстрируют слабую радиационную стойкость по сравнению с согласованными традиционными структурами.

Расчеты, аналогичные приведенным в [1], выполненные на основе указанных выше характеристик перспективных ФЭП, для СБ на струнном, сетчатом и экспериментальном сотовом каркасе соответственно показали, что

  • по мощности в стартовом объеме (14,53 Вт/м3, 12,46 Вт/м3 и 87,20 Вт/м3)
  • по мощности в массе (247,33 Вт/кг, 243,84 Вт/кг и 150,49 Вт/кг),
  • по удельной мощности (435,98 Вт/м2),

СБ из ФЭП 4J Solar Junction Corp на ~ 3 % превосходят аналогичные конструкции с ФЭП 3G31, на ~ 5 % – 4G32, на ~ 17 % – IMM-3J (А), на ~ 14 %– IMM-3J (В).

 

Литература
  1. Рябцева М.В., Наумова А.А., Лебедев А.А. Анализ конструкций перспективных солнечных батарей космических аппаратов // XLV Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения – 2021): сб. тез.: в 4 т. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. Т. 1. С. 334–338.
  2. Green M.A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W., Dunlop E.D., Solar cell efficiency tables (version 41), Progress in Photovoltaics // Research and Applications. 2013. Vol. 21 (1). DOI: 10.1002/pip.2352
  3. Sabnis V., Yuen H., Wiemer M. High efficiency multijunction solar cells employing dilute nitrides // in Proc. 8th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, Toledo, Spain. 2012. DOI: 10.1063/1.4753823
  4. Guter W., Dunzer F., Ebel L., Hillerich K., Köstler W., Kubera T., Meusel M., Postels B., Wächter C. Space solar cells — 3G30 and next generation radiation hard products // E3S Web of Conferences. 2017. Vol. 16. P. 03005. DOI: 10.1051/e3sconf/20171603005
  5. Yamaguchi M. Radiation-resistant solar cells for space use // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2001. Vol. 68 (1). Pp. 31–53. DOI: 10.1016/S0927-0248(00)00344-5
  6. France R.M., Geisz J.F., Garcia I., Steiner M., McMahon W.E., Friedman D.J., Moriarty T.E., Osterwald C., Ward J.S., Duda A., Young M., Olavarria W.J. Design Flexibility of Ultrahigh Efficiency Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells // IEEE Journal of Photovoltaics. 2016. Vol. 6 (2). Pp. 578–583. DOI: 10.1109/jphotov.2015.2505182
  7. Tukiainen Aho A., Polojärvi V. , Guina M. Dilute Nitride Space Solar Cells: Towards 4 Junctions // 10th European Space Power Conference ESPC. 2014. Vol. 719. Pp. 1–3.
  8. Tommila J., Aho A., Tukiainen A., Polojärvi V., Salmi J., Niemi T., Guina M. Moth-eye antireflection coating fabricated by nanoimprint lithography on 1 eV dilute nitride solar cell // Prog. Photovoltaics Res. Appl. 2013. Vol. 21. Pp. 1158–1162.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.