Воздействие электростатических разрядов на защитные стекла солнечных батарей и трехпереходные фотопреобразователи с гетеронаноструктурой

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И ТРЕХПЕРЕХОДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУРОЙ

Л.С. Гаценко (к.т.н.), Н.Е. Маслякова, М.Б. Каган (д.т.н.)

НПП «Квант»

Л.С. Новиков (д. ф-м. н.), М.С. Самохина НИИЯФ МГУ

Введение

За последнее десятилетие были разработаны солнечные батареи (СБ) нового поколения на основе трехпереходных фотопреобразователей (ФП3П) со сложной гетеронаноструктурой InGaP/InGaAs/Ge, которые по эффективности и радиационной стойкости значительно превосходят кремниевые СБ [1, 2] предыдущего поколения.

С появлением СБ нового поколения возникла необходимость в оценке их ресурсной деградации, требования к которой ужесточились в связи с ростом энерговооруженности космических аппаратов и увеличением их срока активного существования до 15 лет. Поэтому особенно актуальным становится исследование дестабилизирующих факторов космического пространства, которые не были достаточно изучены применительно к новым ФП. К таким факторам относятся поверхностные и внутренние электростатические разряды (ЭСР), обусловленные электризацией СБ в горячей магнитосферной плазме (ГМП) и воздействием электронов естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) соответственно.

Целью настоящей работы явилось исследование воздействия ЭСР на защитные стеклянные пластины (ЗСП) и ФП3П.

Известно, что ЭСР в СБ возникают при поверхностной и объемной электризации диэлектриков, используемых в конструкции СБ [3].

Поверхностная электризация наружных диэлектрических материалов СБ происходит на геостационарной орбите (ГСО) при воздействии горячей магнитосферной плазмы.

Характерные энергии электронов и ионов (протонов) ГМП лежат в диапазоне 1-100 кэВ, а значения концентрации частиц составляют 10⁵ - 10⁷ м^-3. Однако во время магнитных возмущений (магнитных суббурь) потоки частиц ГМП возрастают на два порядка по сравнению со спокойным периодом (~ до 10¹¹ электрон · см^-2 · с^-1), а основная доля тока переносится частицами с энергией 1 - 30 кэВ [3].

При поверхностной электризации диэлектрических материалов СБ глубина проникновения электронов плазмы с характерными энергиями до 50 кэВ составляет 20 - 30 мкм, поэтому глубина локализации возникающего заряда не превышает этой величины.

В результате взаимодействия СБ с ГМП на ее поверхности образуется отрицательный электрический заряд, величина которого определяются соотношением первичных токов электронов плазмы и вторично-эмиссионных токов с поверхности СБ, включая ток фотоэлектронной эмиссии, вызываемой солнечным излучением.

Так как СБ представляет собой конструкцию с неоднородной структурой и некоторым количеством диэлектрических материалов в фотогенераторной части и каркасе, то потенциалы отдельных участков поверхности и открытых элементов конструкции могут быть различными из-за отличия условий попадания потоков первичных частиц на эти участки и условий их освещения, а также из-за отличия эмиссионных свойств материалов поверхности. Происходит так называемое «дифференциальное» заряжение СБ, при котором между отдельными участками непроводящей поверхности возникают разности потенциалов.

Именно «дифференциальное» заряжение является основной причиной поверх-ностных ЭСР, приводящих к деградации СБ и создающих световые, электромагнитные и акустические помехи бортовым системам космических аппаратов.

Объемная электризация диэлектриков на ГСО возникает при воздействии электронов ЕРПЗ с энергиями 0,2 - 10 МэВ, проникающих в толщу диэлектриков на глубину порядка от десятых долей сантиметра до 2 см.

Объемная электризация диэлектриков отличается от поверхностной не только глубиной локализации внедренного электрического заряда, но также имеет существенные отличия в физических процессах накоплениях зарядов, потоках заряженных частиц, приводящих к его накоплению, и во временных характеристиках процессов [3].

При заряжении в ГМП характерные величины первичных токов составляют ~ 10^-10 - 10^-8 А · см^-2, время общего заряжения составляют ~ 0,3 - 0,5 с, а дифферен-циального заряжения - от единицы до десятков минут.

Объемная электризация материалов СБ характеризуется следующими парамет-рами: ток электронов ~ 10^-13 - 10^-11 А · см^-2, время заряжения составляет несколько часов. Вторично-эмиссионные токи в этом случае не оказывают влияния на процесс формирования внедренного объемного заряда. Пороговое значение флюенсов электронов ЕРПЗ, соответствующих началу возникновения объемных ЭСР, равно 10¹⁰ - 10¹¹ см^-2 и зависит также от свойств диэлектрика, главным образом от его радиационной проводимости.

Методика экспериментов

Воздействие внешних ЭСР на ЗСП и ФП3П изучалось с помощью стандартной методики, которая описана в литературе [4, 5] и ранее широко применялась при аналогичных исследованиях кремниевых ФП и СБ [5, 6].

Она состоит в облучении образцов моноэнергетическим пучком электронов с энергиями, составляющими среднеэнергетичный компонент спектра электронов ГМП, который вносит основной вклад в электризацию и деградацию СБ от возникновения внешних ЭСР.

Для получения результатов воздействия ГМП и ЭСР к концу срока активного существования (САС) СБ, равного 15 годам, была применена также методика ускоренных испытаний, состоящая в воздействии на образцы плотности потока первичных электронов J на один-два порядка выше реальных значений на ГСО.

Исследование воздействия поверхностных ЭСР осуществлялись в НИИЯФ МГУ на специально созданном лабораторном оборудовании на базе стенда электронных пушек, используемых в составе линейных ускорителей.

Установка обеспечивала облучение образцов потоками электронов, имитиру-ющими воздействие горячей магнитосферной плазмы с энергиями от 10 до 40 кэВ при плотности тока первичных электронов 1-200 нА/см².

Исследование образцов на возникновение объемных ЭСР были проведены на двух высокочастотных линейных электронных ускорителях в НИИЯФ МГУ, обеспечивающих изменение энергии воздействующих на образцы электронов в диа-пазоне ~ 0,1 - 10 МэВ при плотности потока электронов 10¹¹ - 10¹² электрон · см^-2 · с^-1 и флюенсе (1 - 5) · 10¹⁴ электрон · см^-2.

Параметры электронных пучков и исследуемых образцов в процессе облучения контролировались с помощью соответствующей диагностической аппаратуры, включающей систему датчиков и электронно-цифровую систему накопления и обработки информации.

Температура образцов в нормальных условиях эксперимента составляла от + 20 до + 50° С, а пониженная температура (- 60° С) обеспечивалась с помощью трехкаскад-ного холодильного агрегатора, построенного на основе элементов Пельтье.

Объектом исследований были следующие образцы:

§ лицевые ЗСП из стекла CMG толщиной 0,1 мм с антиотражающим покрытием MgF₂;

§ тыльные ЗСП из стекла К-208 толщиной 0,13 мм;

контрольные образцы стекла толщиной 0,5 см (только для иcследований на объемную электризацию);

§ CIC ФП3П, состоящие из одного ФП3П с двумя ЗСП, наклеенными на лицевую и тыльную поверхности ФП3П;

§ фрагмент СБ, состоящий из двух последовательно соединенных CIC ФП3П, закрепленных на каркасе.

Результаты исследования внешних ЭСР

Тестовые эксперименты показали, что при значениях плотности тока электронного пучка J = 0,1 - 1 нА/см², соответствующего реальным параметрам ГМП в области ГСО [5], электрические разряды в образцах не возникали. Поэтому, прежде всего, был определен порог появления разрядов в образцах путем постепенного повышения J. При увеличении J вначале наблюдалось только свечение образцов, а затем при дальнейшем повышении J появлялись разряды.

На рис. 1 в качестве примера приведены изображения сборки из двух CIC ФП3П с диодным блоком (а) и образца защитного стекла К_208 (б), установленных в камере экспериментальной установки. На обоих рисунках видны области слабого свечения, обусловленного ЭСР.

Рис. 1. Сборка из двух ФП3П с диодным блоком (а)

и образца защитного стекла (б) в камере установки.

На рис. 2 показаны изображения ЭСР, возникающих на поверхности CIC ФП3П. Видно, что области локализации ЭСР примыкают к краям ФП, где возникают наиболее высокие градиенты потенциала. Конфигурация разрядов отличается для разных случа-ев, хотя их общий характер приблизительно одинаков.

При облучении во многих случаях наблюдалось повторное возникновение разрядов в тех же зонах, характеризуемых, по-видимому, пониженной электрической прочностью. Разряды могут возникать одновременно в нескольких точках поверхности, причем их частота и интенсивность зависят от конфигурации окружающих проводящих и непроводящих элементов. Так, для показанной на рис. 1 сборки разряды происходят между поверхностью защитного стекла ФП3П и металлическими частями сборки. При установке исследуемых ФП3П и защитных стекол на диэлектрическую подложку, например из фторопласта, помимо ЭСР с образцов наблюдается возникновение разрядов и с этой подложки.

Рис. 2. Изображения ЭСР в ФП.

Для исследуемых ЗСП из стекол К_208 порог возникновения разрядов по плотности тока составлял ~ 5 - 13,5 нА/см², что выше значений, наблюдавшихся в ряде других работ [14, 15]. Такое увеличение порога может быть объяснено меньшей толщиной исследуемых пластин (130 мкм) по сравнению с рассмотренными в упомянутых работах. Для стекла CMG порог возникновения разрядов достигал ~ 20 - 56 нА/см², что объясняется тем, что проводимость этого стекла в 2 раза выше чем у К-208. В области пороговых значений плотности тока частота следования ЭСР составляла 10^-2 - 10^-1 Гц, а при увеличении плотности тока она повышалась до 1 - 5 Гц.

Так, для стекла К_208 при плотности тока ~ 30 нА/см² средний период следования составлял около 2 с. Дальнейшее увеличение тока до ~ 100 - 200 нА/см² незначительно уменьшало период следования - до ~ 0,5 с. Следует отметить, что порог потенциала поверхности стекла, при котором происходил разряд, лежал в области 6 -9 кВ. Параметры разрядных импульсов представлены на рис. 3. Амплитуда разрядов составляла от 37,5 до 69,4 В, а длительность разрядных импульсов колебалась от 4 до 8 мкс.

Так как все зарядно-разрядные процессы формируются в ЗСП, которые являются единственным диэлектриком в фотогенераторной части СБ, то более подробно исследовались последствия ЭСР в стеклянных образцах с помощью метало-графического микроскопа Nikon Eclipse LV100D-U (Япония). На рис. 4 показаны результаты воздействия ЭСР на ЗСП, изготовленных из стекла CMG и К-208 при различных энергиях E, плотностях J и частотах разрядов f.

На рис. 4 а показана конфигурация разрядных каналов в защитной стеклянной пластине, изготовленной из стекла CMG. Сеть каналов, параллельных поверхностям пластины и залегающих на глубине пробега электронов, собирается в центральный разрядный канал, выходящий на поверхность. Для защитного стекла К_208 наблюдались значительно меньшие по площади фигуры горизонтальных разрядных каналов, окружающих центральный канал, что объясняется, по-видимому, более высокой проводимостью стекла CMG по сравнению со стеклом К_208.

Рис. 3 а, б. Характеристики разрядных импульсов.

Образовавшиеся под воздействием ЭСР кратеры располагались по поверхности стекла хаотично, что связано, по-видимому, с различным местонахождением неоднородностей структуры, состава, различных включений и т.д., в которых напряженность локального электрического поля превышает прочность материала. После нескольких первых разрядов остальные пробои локализовались на уже поврежденных участках стекла. При этом на поверхности стекла К-208 встречались одиночные кратеры, а на CMG, в основном, кластеры - группы из нескольких близкорасположенных кратеров. На некоторых образцах наблюдались сквозные пробои. Средний размер кратеров составлял от 25 до 250 мкм, а их глубина изменялась от 15 до 130 мкм.

Другой характерной особенностью последствий ЭСР в образцах ЗСП являлось появление трещин, идущих от центрального канала (кратера). Образование трещин было связано в большей степени с качеством исходного стекла, чем с плотностью потока первичных электронов J. Например, на некоторых ЗСП из стекла CMG трещины не возникали даже при J = 80 нА/см² (рис. 4 а, 4 г), а при J = 59,2 нА/см² (рис. 4 б) и J = 11,9 нА/см² (рис. 4 д) они появлялись. С другой стороны, при значениях J, приближающихся к 200 нА/см² наблюдались глубокие трещины в образцах обоих типов (рис. 4 в и 4 е).

С целью определения возможной оптической деградации ЗСП в результате воздействия ЭСР были измерены коэффициенты пропускания стеклянных образцов в диапазоне длин волн 300 - 1200 нм на спектрофотометре типа СФ-26.

При измерении коэффициента пропускания в зависимости от длины волны падающего излучения в спектральной области чувствительности ФП3П на спектро-фотометре данные снимаются с площади около 2,5 см², при этом вся поверхность образца составляет около 28,5 см². Поэтому, учитывая неравномерность распределения кратеров, образованных выходящими на поверхность центральными разрядными каналами, и горизонтальных разрядных каналов по поверхности стеклянных пластин, было предложено измерить пропускание в местах наиболее сильного повреждения стекла и на участках, оставшихся «чистыми».

В качестве примера на рис. 5 приведен результат измерений одного из образцов (стекло CMG, плотность тока при облучении J = 80 нА/см²).

Рис. 5. Коэффициент пропускания стекла CMG, измеренный на разных участках образца

Для данного образца выявлено, что в области кратеров и разрядных каналов пропускание снижается на 11 - 16 % в узкой области длин волн в ультрафиолетовой части спектра, в начале видимой области (вплоть до 600 нм) снижение коэффициента пропускания лежит в пределах от 2 до 8 %, и далее составляет не более 1 %.

Общий характер изменения коэффициента пропускания на участках с кратерами и на «чистом» стекле типичен для обоих типов стеклянных пластин, облученных при разных плотностях тока. При этом интегральное снижение коэффициента пропускания после облучения составляет 2 % для стекла K-208 и менее 1 % для стекла CMG.

Было исследовано изменение вольт-амперных характеристик образцов ФП3П в зависимости от количества возникших в образцах электрических разрядов при облучении ФП3П электронами с энергией 30 кэВ как с лицевой, так и с тыльной сторон при различных плотностях тока первичных электронов.

Результаты измерений показали, что при облучении с тыльной стороны изменений электрических параметров образцов не происходило вплоть до 100 разрядов. При J = 66 нА/см² и 100 разрядах наблюдалось лишь незначительное изменение рабочего тока порядка 1 % при рабочем напряжении.

При облучении с лицевой стороны ухудшения электрических параметров образцов не наблюдалось при воздействии до 70 разрядов. Небольшое изменение рабочего тока, равное 1,3 %, и напряжения холостого хода, равное 0,6 %, было зафиксировано после 70 разрядов (J = 15 нА/см²). После облучения фрагмента СБ электронами с энергией 40 кэВ и J = 100 нА/см², рабочий ток изменился в пределах 4 %, что можно объяснить превышением J на 2 порядка по сравнению с космосом.

Однако при воздействии на лицевую сторону образца ФП3П 120 разрядов при J = 15 нА/см² произошло значительное (до 12 %) ухудшение рабочего тока. Остальные характеристики изменились незначительно: ток короткого замыкания на 0,7 %, напряжение холостого хода на 1,3 %. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) данного образца до и после облучения приведены на рис. 6.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики образца ФП3П.

Исследование лицевой поверхности образца ФП3П с помощью микроскопа выявило следующую картину разрядных каналов в защитном стекле CMG: наличие большого количества горизонтальных разрядных каналов при малом (2 - 3) числе кратеров на поверхности стекла (рис. 7). Один из кратеров, самый крупный, имел размеры 450 х 150 мкм, глубину порядка 100 мкм и площадь 0,04 мм². На рис. 7 видно, что от кратера отходят две вертикальные глубокие трещины, доходящие до краев ФП3П, и еще три зародыша трещин. В месте пересечения верхней трещины с контактной сеткой образца произошло разрушение материала контакта.

Таким образом, поскольку глубина кратера соизмерима с толщиной ЗСП, наблюдаемое существенное ухудшение ВАХ ФП3П (рис. 6) можно объяснить в основном повреждением p-n-переходов множественными ЭСР. Повреждение контакт-ной сетки также может внести свой вклад в изменение ВАХ, о чем свидетельствует небольшое уменьшение напряжения холостого хода.

Как было показано выше, интегральное пропускания стекла CMG в результате воздействия ЭСР уменьшается в среднем на 1 %, поэтому вклад оптической деградации в общее ухудшение ВАХ рассматриваемого образца невелик. Характер изменения спектральной характеристики образца подтверждает наше предположение о повреждении всех трех p-n-переходов образца.

Так, из спектральной зависимости внешнего квантового выхода (рис. 8) следует, что ухудшились свойства всех трех переходов ФП, особенно резко у третьего перехода. Изменение плотности фототока верхнего перехода составляло 7 %, среднего 7,5 %, а нижнего 49 %, что свидетельствует о повреждении p-n переходов в локальных участках.

Необходимо подчеркнуть, что последние данные получены в лабораторных условиях при плотностях электронного тока, значительно (в 15 раз) превышающих реальные значения в горячей магнитосферной плазме. Поэтому их следует рассматривать как предельные оценки для «наихудшего» случая наземного моделирования.

Несмотря на фактически полную деградацию нижнего германиевого перехода, фотопреобразователь остается в рабочем состоянии. Это объясняется тем, что вклад фототока германиевого перехода в общий фототок ФП очень мал (рис. 9), поэтому после деградации нижнего перехода фотопреобразователь работает как двухпереходный. В этом состоит огромное преимущество ФП3П перед кремниевыми однопереходными фотопреобразователями.

Результаты исследования возможности возникновения внутренних ЭСР в условиях воздействия электронов ЕРПЗ

фотопреобразователь разряд электростатический

В процессе облучения образцов с помощью акустических и электромагнитных сенсоров, располагавшихся вблизи образцов, было зафиксировано возникновение внутренних ЭСР (ВЭСР). Исследование облученных образцов показало, что все зафиксированные ЭСР происходили только в контрольных образцах большой толщины.

Рис. 10. Разрядные фигуры в круглом контрольном стеклянном образце

Один из примеров возникновения разрядов в круглом контрольном образце представлен на рис. 10, где показаны разрядные фигуры при различных условиях освещения образца.

На рис. 11 показаны различные случаи возникновения разрядов в контрольных образцах кубической формы. Видно, что разрядные фигуры отличаются формой и степенью ветвления каналов. Эти характеристики разрядов влияют на оптические и механические свойства образцов.

На облучавшихся в описанных условиях образцах ФП возникновение ВЭСР не было зарегистрировано даже при пониженных температурах. При этом, как уже указывалось выше, образцы ЗСП облучались даже при температуре жидкого азота, что, согласно имеющимся данным, увеличивает значение накопленного заряда в несколько раз. И в этом случае возникновение ВЭСР в стеклах не было зарегистрировано.

Рис. 11. Разрядные каналы в контрольных стеклянных образцах кубической формы

Контрольные фотографии поверхности облучавшихся ФП представлены на рис. 12. Видно, что на поверхности просматриваются технологические дефекты различной формы, однако характерные разрядные фигуры не наблюдаются. Исследование необлученных ФП показало, что на их поверхности имеются аналогичные исходные дефекты.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод, что эффекты объемной электризации под действием электронов ЕРПЗ не приводят к возникновению электроразрядных явлений в исследуемых образцах ФП3П и ЗСП.

Выводы

§ При значениях плотности тока электронного пучка J = 0,1 - 1 нА/см², соответ-ствующих реальным параметрам горячей плазмы в области геостационарной орбиты, электрические разряды в исследуемых образцах не возникали.

§ Разряды в стеклянных пластинах появлялись при значениях J от 5 - 13,5 нА/см² и более и не изменяли интегрального коэффициента пропускания более чем на 2 % для стекла К-208 и 1 % для стекла CMG.

§ Для стекла CMG определены следующие преимущества по сравнению со стеклом К-208:

· более высокий порог возникновения ЭСР,

· меньшая частота следования разрядов,

· меньшая оптическая деградация.

§ Эффекты поверхностной электризации и связанные с ними электростатические разряды ухудшали рабочий ток ФП3П в среднем на 1 %.

§ При воздействии электронов ЕРПЗ на все образцы ФП3П и защитные стекла не было зафиксировано возникновение объемных ЭСР.

§ На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при воздействии внешних и внутренних ЭСР на трехпереходные фотопреобразователи с защитными стеклами они сохраняют свою работоспособность в течение всего срока активного существования.

Литература

1. Коротеев А.С., Кошеляев Е.М., Решмин А.И. Космическая электроэнергетика сегодня и завтра. Известия Академии Наук, Энергетика, № 5, 2001, с. 3-16.

2. Fodor J.S., Gelb S.W., Maassarani Z.,Powe J.S., Schwartz J.A. Analysis of Triple Junction Solar Arrays After Three Years in Orbit. 4^th WCPEC, May 7-12, 2006, Hawaii. Proc. pp. 1955 - 1958.

3. Модель космоса, 8-е издание, т. 2, Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007, 1143 с.

4. Летин В.А. Проблемы электризации солнечных батарей космических аппаратов. Космонавтика и ракетостроение № 1 (30), 2008, с. 43 - 5.

5. Антонов В.М. Моделирование электризации космических аппаратов в лабораторных условиях. В кн. Модель космоса, т.2, Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007, с. 767-780.

6. Летин В.А. Функционирование солнечных батарей в космической среде. В кн. Модель космоса, т. 2, Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007, с. 561-594.

Размещено на Allbest.ru