Влияние космической радиации на солнечные батареи искусственных спутников Земли и способы защиты (стр. 2 из 3)

Воздействие электронного облучения с образованием дефектов по всей глубине рабочей области на ВАХ кремниевых ФП показано на рисунке 1.[4]

Наряду с уменьшением тока, вызванного снижением собирания носителей в длинноволновой области, возрастает ток насыщения под влиянием уменьшения диффузной длины, и снижается фотоЭДС. Видно, что вместе с уменьшением выходной мощности снижается и напряжение (пунктирные линии), обеспечивающее нормальный режим работы СБ, что имеет важное значение для СБ, используемых в режиме постоянного напряжения.

Протоны малых энергий ускоряют процесс снижения фотоЭДС и коэффициента заполнения ВАХ ФП. Поскольку при их воздействии повышается скорость поверхностной рекомбинации, увеличиваются и токи утечки jo1 и jo2 , причем первый из них растет быстрее даже в том случае, когда основная часть дефектов оказывается в области объемного заряда ФП. Протоны низких энергий могут воздействовать и со стороны тыльной поверхности ФП, если несущая их подложка СБ оказывается достаточно тонкой. В этом случае может произойти компенсация проводимости в результате облучения наружного слоя с образованием при этом второго, наряду с основным, p-n-перехода. Этот переход будет притягивать к себе не основные носители заряда, уменьшая тем самым фотоЭДС и ток ФП.

Результат исследования деградации СБ спутников, летающих на низких орбитах, приведены в таблице 3. Установлено, что деградация СБ спутников «Телстар1» и «Телстар2» в основном вызывалось протонами радиационных поясов. На спутнике «NEOS A1» радиация за 800 суток полета составила 3,5%, что предписывается не к «фотонной» деградации. Спутник, NTS-1, открывающий серию запускаемых на орбиты, близкие к круговым, под разными углами к плоскости экватора, имел СБ, деградация которой оказалась на много выше расчетной. При этом наиболее заметно снизилась мощность фотоприемника из лития, что не получило однозначного объяснения. Предполагают, что характеристики могли ухудшиться в следствие диффузии лития через p-n-переход либо вследствие перегрева панели с ФП, либо из-за нарушения контактов. Сильную деградацию отмечали и в «фиолетовых» ФП с неглубоким переходом, но их абсолютная мощность оставалась по-прежнему выше абсолютной мощности обычных ФП. Так на 753 сутки полета максимальная мощность фиолетовых ФП составляла 47…50 мВт, а обычных ФП только 39,1 мВт.

При расчетах радиационной обстановки на геостационарной орбите действие излучения на СБ обычно учитывают влиянием протонов и электронов радиационных поясов, а так же космических лучей. Значение потоков электронов с энергией 1 МэВ, эквивалентных потокам электронов и протонов, действующих на кремний p-типа проводимости, приведены в таблице 4. В ней же указаны величины потоков, достигающих поверхности ФП при использовании покрытий из плавленого кварца различной толщены.

Доминирующее значение на ГCO имеют электронные потоки. Велики также потоки протонов малых энергий. Заметное влияние могут оказать и протоны солнечных вспышек. Некоторые экспериментальные данные о деградации СБ различных КА, запущенных на геостационарную орбиту, приведены в таблице 5. Во время полетов на ГСО были впервые обнаружены оптическая деградация покрытий и воздействие протонов низких энергий. На спутниках серии IDSCS потемнение защитных покрытий толщиной 0,5мм привело к дополнительному снижению тока СБ на 9±3% за пять лет полета.

Поток протонов малых энергий ( Е > 100кэВ ) на геостационарной орбите равен 5,4*10-11 см-2*сутки-1. Именно их воздействием объясняется быстрая деградация СБ спутников INTELSAT F4 и ATS-1, аналогичная той, которую наблюдали на лабораторных ФП, поверхность которых была не полностью защищена покрытием от влияния радиационных частиц. Поэтому в настоящее время некоторые участки поверхности ФП покрывает защитным составом. Уменьшение воздействие частиц низких энергий обеспечивается и защитными стеклами из плавленого кварца и аналогичных им материалов.

Оптимальная толщина стекол находится в пределах 0,15…0,3 мм, хотя допускаются и облегченные варианты. Например, на канадском спутнике связи CTS использованы гибкие разворачиваемые панели фирмы АЕГ Телефункен (ФРГ) с защитным покрытием из стекол с церием толщены 100 мкм. В этом случае была отмечена несколько большая деградация СБ.

В настоящее время удается надежно прогнозировать деградацию СБ, связанную с потемнением защитных покрытий и наличием незащищенных участков рабочей поверхности ФП.

Повысить радиационную стойкость СБ можно за счет использования более устойчивого к космическому излучению материала базы ФП. Установлено, что радиационная стойкость базы ФП понижается с ростом степени легирования. Это связано со взаимодействием легирующей примеси с радиационными дефектами, при этом образуются рекомбинационные центры для носителей заряда. Степень такого взаимодействия определяется природой примеси. Кремний, легированный алюминием, более устойчив к воздействию космического излучения, чем кремний, легированный бромом. Повышение удельной проводимости материала базы уменьшает деградацию ФП при влиянии как электронного, так и протонного облучения. Однако слишком большой рост ρ базы нежелателен, так как в этом случае может снизиться КПД ФП. Поэтому в каждом отдельном случае ищут компромиссное решение.

Радиационную стойкость можно повысить путем легирования исходного материала литием, атомы которого обладают большой подвижностью при температуре 20…50˚C. Литий дрейфует в область радиационных нарушений и нейтрализует электрическую активность образовавшихся дефектов. Добавка лития немного понижает КПД ФП.

Радиационную устойчивость можно увеличить оптимальным выбором структурных параметров ФП. Прежде всего толщины, как показано на рисунке 2.[5] Приведенные данные получены для ФП со структурой p±n.

Радиационное воздействие сказывается на механических свойствах солнечных батарей. При воздействии электронов с энергией 500кэВ (полет на геосинхронной орбите в течении 5 лет) модуль упругости материалов СБ снижается на 10%.

Деградация оптических параметров ФП

Фотоэлектрические свойства ФП и всей СБ могут ухудшиться вследствие изменения оптических параметров защитных стекол, просветляющих и иных покрытий, а также компонентов, обеспечивающих их установку, например, клеящих составов. Причины подобной оптической деградации могут быть следующими:

1)Объемное радиационное окрашивание защитных кварцевых стекол и клея.

2)Снижение прозрачности покрытий в результате загрязнения пылью, продуктами собственной атмосферы КА и выбросами двигателей.

3)Изменение теплофизических характеристик покрытия (интегральных коэффициентов поглощения αs и излучения εs, приводящие к повышению температуры СБ).

Потемнение защитных стекол под воздействием ультрафиолетовой части солнечного спектра было впервые обнаружено при полетах искусственных спутников на ГСО.

Исследования, проведенные в наземных условиях, показали, что под влиянием УФ-излучения прозрачность этих стекол вначале быстро снижается (примерно на 10%) , оставаясь после этого почти без изменений. За тем она медленно снижается до уровня, при котором стекло становится непригодным для работы. Это связано с окрашиванием стекол под влиянием излучения длинной волны 530мкм. Установлена эквивалентность воздействия УФ-излучения и быстрых электронов на стекло. УФ-излучение приводит также к потемнению клеящего состава, соединяющего защитные стекла с ФП.

Уменьшение прозрачности защитных покрытий снижает выходные параметры CБ. Так, на спутниках связи IDSCS в результате этого явления дополнительное снижение тока СБ за пять лет полета составило 9±3%. Потери мощности ФП на одном из спутников серии IDSCS (США), в течении 5 лет летавшего на высоте 20000км, равны 3…9%. Наблюдалась деградация «фиолетовых» фотопреобразователей спутника на 2,3…2,6%.

Защита от воздействия УФ-излучения обеспечивается применением радиационно-стойких стекол из плавленого кварца или стекол с примесью церия (~5%). На кварцевые стекла при этом еще наносят фильтр, отражающий УФ-излучение. Как показали исследования, на спутнике ATS-6 после 50 суток полета ток короткого замыкания солнечной батареи с ФП без отражающего фильтра уменьшился на 3,3%, а через 2 года еще на 3%. На части СБ, отражающей УФ-излучение, за тот же период уменьшение тока составило 1,6±0,7%. Можно не использовать фильтр, если вместо обычных силиконовых клеящих составов применять тонкие (~50мкм) слои фторированного этилен-пропилена, обладающего повышенной стойкостью к УФ-излучению. Однако под влиянием УФ-излучения этот слой становится хрупким и разрушающимся при термоциклировании. Стекла, легированные церием, поглощают УФ-излучение с λ<350мкм, и поэтому не нуждаются в отражающем фильтре.

Считают, что деградация современных СБ под воздействием ультрафиолетового излучения составляет не менее 2…8%.

Под воздействием факторов космического пространства изменяются оптические параметры терморегулирующих покрытий ФП и СБ. В ходе натуральных испытаний на КА STPP-72-I и «Скайлаб» установлено, что приращение коэффициента отражения Δεs по времени для фронтальной (S1) и тыльной (S2) подчиняется следующей зависимости:

Δεs1=C1t0,4;Δεs2=C2t0,36

Где C1 и C2 коэффициенты пропорциональности. Установлено, что за 60 месяцев полета Δεs увеличится на порядок (с 0,02 до 0,2). Деградацию, связанную с ухудшением теплофизических характеристик покрытий, изучали на спутнике OTS-2 (США).Испытания, проведенные на ГСО, показали, что совместное воздействие потока солнечного излучения и радиации приводит к снижению отражающей возможности покрытий и возрастанию степени их черноты. Предложена формула оценки изменения отражательной способности, полученная для описания антенны этого КА: