4.5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.5.1. Радиационные эффекты

Деградация солнечных элементов под воздействием высокопроникающей радиации — основная проблема при использовании их в космосе; без специальных мер защиты элемент, пронизываемый интенсивными потоками частиц, полностью деградировал бы в течение нескольких дней. Поскольку энергетическое питание почти всех космических аппаратов осуществляется с помощью солнечных элементов, эта проблема вызывает особую заботу разработчиков солнечных батарей. Основным проявлением радиационного повреждения является увеличение концентрации дефектов в полупроводнике, которое обусловливает уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда и как неизбежное следствие — снижение КПД солнечного элемента. Максимально допустимые пределы радиационного повреждения зависят от концентрации и типа легирующей примеси, и значительное расширение этих пределов возможно с помощью удачных конструктивных решений.

Магнитное поле Земли формирует вокруг нее пояса повышенной радиации, тип частиц в которых и диапазоны их энергий приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Характеристики корпускулярной радиации

Плотности потоков Ф и энергии частиц сложным образом зависят от их положения относительно Земли (рис. 4.20), и движение частиц не всегда можно считать изотропным. Кроме того, необходимо учитывать возникновение коротких интенсивных всплесков радиации во время солнечных вспышек. В результате проявления солнечной активности в августе 1972 г. коэффициент полезного действия обычных панелей солнечных батарей снизился на 2—5% по отношению к значению до солнечных вспышек.

Проникшая в полупроводник частица высокой энергии создает многочисленные нарушения кристаллической решетки: вакансии, междоузельные атомы, скопления дефектов и различные вакансионно-примесные комплексы. При количественном рассмотрении влияния радиации на дефектообразование предполагают, что концентрация радиационных дефектов проявляющих себя в качестве эффективных рекомбинационных центров, линейно зависит от дозы: , где — число центров, создаваемых на 1 см пути пробега каждой частицей, и Ф — суммарный по

Рис. 4.20. Энергетические спектры суммарных потоков протонов и электронов во внутренней магнитосфере Земли (вплоть до 10 земных радиусов) Параметр L называют оболочкой Мак-Илвана (L приблизительно равна одному земному радиусу): 1 - вспышка, август - галактическое излучение

времени поток. В зависимости от вида и энергии излучения значение варьируется в пределах от до и соответствует диапазону изменений сечений столкновений или интервалу вероятностей дефектообразования на одну прошедшую частицу для кремниевого элемента обычной толщины). Конечно, длина пробега частицы в полупроводнике зависит от ее массы и энергии; протоны низких энергий поглощаются слоем толщиной всего лишь несколько микрон, а электроны высоких энергий легко проходят через весь элемент, оставляя дефектный след на своем пути.

Как правило, не изучают подробно кинетику рекомбинации, определяемую отдельным типом дефектов, а интересуются суммарным изменением времени жизни носителей заряда. Поэтому воздействие рядиягрга обычно прослеживают с помощью формулы

где — время жизни до образования радиационных дефектов и — коэффициент, характеризующий изменение времени жизни при образовании радиационных дефектов. Аналогично воздействие радиации на диффузионную длину L неосновных носителей заряда можно описать выражением

где — диффузионная длина до образования радиационных дефектов и — коэффициент, характеризующий изменение диффузионной длины при образовании радиационных дефектов. Значения указаны в табл. 4.3.

Указанный подход дает хорошее совпадение с экспериментальными результатами для и -кремниевых солнечных элементов (рис. 4.21). Удобной мерой радиационной стойкости является критический поток снижающий на 25% исходное значение КПД солнечного элемента. Для типичного кремниевого солнечного элемента в случае электронной бомбардировки в случае протонной бомбардировки — Экспериментальные результаты, как оказалось, точнее можно описать следующим соотношением [Bernard, Mottet, 1976]:

где

Ввиду того что и, следовательно, диффузионная длина фотогенерированных электронов в материале -типа больше, чем дырок в материале «-типа, солнечные элементы с -структурой более стойки к радиации. Кроме того, радиационная стойкость снижается при увеличении степени легирования базовой области. Предполагают, что легирующая примесь легко вступает во взаимодействие с радиационными дефектами,

Рис. 4.21. Зависимость диффузионной длины L неосновных носителей заряда от интегрального потока Ф электронов с энергией 1 МэВ: 1 - «голубой» -элемент; 2 - обычный - -элемент; 3 - «голубой» -элемент

образуя рекомбинационные центры, а повышение степени легирования увеличивает вероятность образования таких центров. В этом смысле -область, легированная алюминием, более радиационно стойка, чем -область, легированная бором.

Обнаружены также различия в радиационной стойкости материалов, выращенных методом зонной плавки и методом Чохральского, которые связывают с относительно высокой концентрацией кислорода в кристаллах. Хотя исходные значения КПД в солнечных элементах, полученных на кристаллах, выращенных методом зонной плавки, выше, значение больше в случае применения кристаллов, полученных способом Чохральского [Pschunder, Fischer, 1976].

В элементах на основе материалов, полученных зонной плавкой, наблюдают эффект фотонной деградации после кратковременного (в течение примерно ) освещения элемента, предварительно подверженного корпускулярному облучению. Введение в кристаллы, выращенные зонной плавкой, примесных атомов О или С [Pschunder, Fischer, 1976], или

использование в качестве легирующих примесей или для создания материала -типа проводимости [Rahilly е. а., 1976] снижает эффект фотоиндуцированных изменений в дефектных комплексах. Аналогичный эффект недавно наблюдали в кремниевых солнечных элементах наземного применения [Weizer е. а., 1978].

Как правило, частицы высоких энергий сильно влияют на и в особенности на фотоотклик в красной области спектра, поскольку эти частицы глубоко проникают в солнечный элемент. Частицы низких энергий, вызывающие нарушения преимущественно во фронтальных слоях элемента, более сильно снижают и спектральную чувствительность в голубой части спектра. Для защиты солнечного элемента от интенсивного потока частиц низкой энергии обычно применяют поглощающие этот поток защитные покрытия из стекла, плавленого кварца, сапфира или некоторых сортов тефлона толщиной около 0,15 мм. Без них солнечные элементы вышли бы из строя через несколько недель.

В 1966 г. для повышения радиационной стойкости было предложено легировать -элементы литием [Berman, 1972]. Атомы имеют очень высокую подвижность, при температурах 20-4-50°С дрейфуют в область радиационных нарушений и нейтрализуют электрическую активность радиационных дефектов. С ростом концентрации кислорода его роль в этих процессах возрастает, приводя, с одной стороны, к увеличению времени восстановления до бездефектной структуры, а с другой — к более эффективному залечиванию дефектов и большей стабильности, чем при низких концентрациях. Добавка слегка уменьшает исходное значение КПД, но резко увеличивает До сих пор нет детального объяснения механизма залечивания дефектов в присутствии причем параметры процесса связывают с концентрационными градиентами атомов [Faith, 1972] и разностью между концентрацией атомов в объеме материала и концентрацией дефектов. Были изготовлены солнечные элементы, легированные литием, с КПД до 12,8%.

Дрейфовые поля (см. 4.5.2) немного улучшают радиационную стойкость элементов, однако это достигается за счет снижения исходного КПД.

Радиационная стойкость солнечных элементов, изготовленных из прямозонных полупроводников, таких, как или (выращиваемых на поверхности слоя ), намного выше, чем у кремниевых элементов, из-за значительно меньшей длины поглощения фотонов в этих материалах. Повреждения на глубине около 6 мкм от поверхности в случае или около 2 мкм в элементе на основе гетероструктуры фактически не влияют на КПД.

Естественно, что в случае элементов на основе прямозонных полупроводников становится более критичной защита от протонной бомбардировки с помощью покровных стекол. Значение в фотоэлементах со структурой приблизительно в 100 раз больше, чем в кремниевых элементах [Van Aerschodt е. а., 1871]. К сожалению, эффективность

солнечных элементов на основе никогда не достигала уровня, необходимого для их практического использования в космосе. Несмотря на высокую эффективность преобразования солнечной энергии элементами на основе к моменту написания книги известно лишь об их использовании на двух советских спутниках и о серии испытаний, проведенных с этими элементами.