Защита наземных солнечных элементов и батарей, их просветляю­щих покрытий интерференционной толщины и контактов от ат­мосферных воздействий при работе в неблагоприятных климатиче­ских условиях осуществляется двумя основными способами:

приклейкой внешнего защитного стекла или полимера, армиро­ванного стекловолокном [344, 345] (приклейка осуществляется слоем светостойкого кремний органического каучука или фторсопо — лимера, возможно также тринлексирование тонких солнечных эле­ментов между двумя слоями стекла или фторсополимерной пленки методом горячего прессования под давлением);

заключением солнечных элементов, собранных в модули и груп­пы, в газонаполненные стеклянные трубчатые оболочки [346].

Последний способ позволяет стабилизировать во времени пара­метры чувствительных к воздействию внешних факторов тонко­пленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия [347]. Регулирование состава газовой смеси внутри стеклянных оболочек, подпыление полупрозрачного слоя /-гптттипй порядка 100 А) меди поверх сульфида меди с последую­
щей термообработкой, нанесение диэлектрических просветляющих покрытий и защитных лаков позволили значительно улучшить ста­бильность свойств тонкопленочных солнечных элементов.

Четырехлетние ресурсные испытания модулей тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—суль­фид кадмия (слой сульфида меди получен в результате химической обработки в растворе однохлористой меди), помещенных в газо­наполненные герметичные стеклянные оболочки, в естественных условиях под Москвой показали, что при оптимальном подборе за­щитных покрытий и заполнении рабочего объема осушенным газом деградация не превышает 5% за срок испытаний.

Испытания прозрачных теплоотражающих и проводящих покрытий

Оптимальное сочетание высокой прозрачности в области солнечного спектра с низким поверхностным слоевым сопротивлением и, сле­довательно, малым значением интегрального коэффициента излу­чения е обеспечивают селективные покрытия двух типов:

трехслойные структуры двуокись титана—серебро—двуокись ти­тана [46] или сульфид цинка—серебро—сульфид цинка [23, 307, 308], нанесенные на стекло методом термического испарения в вы­соком вакууме;

прозрачные проводящие оксиды на основе легированных широ­козонных полупроводников (двуокись олова, трехокись ИНДИЯ или их смеси, стапнаты кадмия), получаемые на поверхности стекла обычно методом химической пульверизации при гидролизе на воз­духе распыляемых растворов солей металлов или ионно-плазмен­ным напылением в вакууме при низком давлении инертного газа.

Трехслойные теплоотражающие покрытия на стекле из полу­прозрачных пленок серебра, просветленных с обеих сторон слоями сульфида цинка (система сульфид цинка—серебро—сульфид цинка), с интегральными коэффициентами пропускания в солнечной об­ласти Гс=0,65 и теплового излучения е=0,06 были использованы для проведения в вакууме эксперимента по отжигу радиационных дефектов (возникающих под влиянием корпускулярного облучения радиационных поясов Земли) в модулях солнечных батарей. Кон­структивная схема проведения этого эксперимента показана на рис. 3,17. Через минуту после включения лампы — имитатора вне­атмосферного Солнца с мощностью излучения #=1360 Вт/м2 на модуле солнечной батареи, расположенной в вакуумной камере, без использования какого-либо другого источника тепла была за­фиксирована температура 320° С, вполне достаточная для проведе­ния процессов отжига радиационных дефектов. Интегральный ко­эффициент теплового излучения модуля солнечной батареи состав­лял с лицевой поверхности 0,9, с тыльной 0,95. При увеличении прозрачности теплоотражающего покрытия, сквозь которое имити­рованное солнечное излучение попадает на модуль солнечной бата —

реи, равновесная температура отжига может быть поднята до 380— 400° С [323].

Прозрачные проводящие покрытия на основе смесей оксидов индия и олова (пленки ITO) использовались для экранирования электрической составляющей электромагнитного поля солнечных батарей [301]. Подобная экранировка была осуществлена для сол­нечных батарей спутника Земли «Интеркосмос—Болгария-1300», на борту которого находилась болгарская научная аппаратура, предназначенная для продолжения комплексных исследований фи-

Рис. 3.17. Схема эксперимента по отжигу в вакууме радиационных дефектов в моду­ле солнечной батареи из кремния

1 — лампа — имитатор внеатмосферного Солнца;

2— светофильтр;

3 — стекло;

4 — прозрачное теплоотражающее покрытие

ZnS—Ag—ZnS;

5 — модуль солнечной батареи из кремния;

в — теплоотражающая шторка из алюминиевой фольги с е=0,04

зических процессов, происходящих в ионо — и магнитосфере Земли, запущенного 7 августа 1981 года [348], и солнечных батарей спут­ника Земли «Ореол-3» с научной аппаратурой, разработанной со­ветскими и французскими специалистами в рамках совместного советско-французского проекта «Аркад-3» для изучения процессов, протекающих в магнито — и ионосфере Земли, и природы полярных сияний, запущенного на орбиту 21 сентября 1981 года [349].

Солнечные батареи обоих спутников со встречным расположе­нием электрических соединений и радиационно-защитными стекла­ми, размещенными по обеим сторонам модулей батареи, с нанесен­ными на их внешнюю поверхность прозрачными проводящими по­крытиями ІТО (поверхностное слоевое сопротивление порядка 1 кОм/П), электрически соединенные между собой и корпусом ап­паратов [350, 301], не вносят каких-либо искажений в работу на­учной аппаратуры спутников. Аналогично ранее проведенным на­турным испытаниям батарей на спутниках Земли «Эксплорер-31» и «Геос», где для экранирования электрической части собственного электромагнитного поля батарей использовались прозрачные элект­ропроводные покрытия на основе оксидов индия [21], эксперимен­ты на советско-болгарском и советско-французском спутниках Зем­ли показали, что наряду с многообразными задачами, успешно решенными с помощью оптических покрытий солнечных батарей, удалось справиться еще с одной значительной научной проблемой — созданием электромагнитно-чистых батарей. При этом благодаря оптийизации толщины и удельного сопротивления проводящих пле­нок просветляющие, радиационно-защитные и теплоизлучающие свойства покрытий сохраняются на прежнем уровне.

Исследование повышенных радиационно-защитных свойств стекол с накоплением объемного заряда

В 1973—1975 гг. на спутниках «Космос-605, -690 и -782» с биологи­ческими объектами на борту проведены эксперименты по радиа­ционной безопасности космических полетов, включавшие изучение новых перспективных средств защиты (от воздействия заряженных "частиц космического пространства), в частности таких, как диэлект­рическая защита, основанная на способности электростатического поля, созданного внутри диэлектрика, отклонять потоки заряженных частиц. В первых космических экспериментах исследовалась воз­можность поддержания сильного поля внутри диэлектриков с по­мощью высоковольтного бортового генератора, в последующих по­летах отклоняющее поле создавалось внешним потоком электронов при прохождении космического аппарата со слоем диэлектриче­ской защиты через радиационные пояса Земли [351].

Результаты опытов по изучению стабильности заряженного со­стояния и оптических свойств стекол, предназначенных для радиа­ционной защиты солнечных элементов и батарей, в условиях косми­ческого полета тех же спутников, а также спутника «Космос-936» (1977 г.) представлены в работе [352].

Для испытания радиационно-оптических свойств покрытий в кос­мическом полете были использованы четыре специальных контейне­ра, устанавливаемых на внешнюю поверхность космического аппа­рата. Каждый контейнер представлял собой корпус с крышкой. Образцы покрытий размещались в корпусе на специальной плате с ячейками. Ориентированное движение спутника происходило лишь на участке выведения, а во время полета на орбите спутник не был ориентирован и медленно вращался, вследствие чего можно пола­гать, что условия воздействия космического излучения (как кор­пускулярного, так и электромагнитного) на образцы во всех кон­тейнерах были одинаковыми. В период выведения спутника контей­неры с открытой крышкой находились под теплозащитой обтекателя, а при спуске крышки захлопывались и в составе спускаемого ап­парата возвращались на Землю. На каждом спутнике экспозиция образцов покрытий продолжалась по двадцать суток. Средняя вы­сота орбиты спутников над поверхностью Земли не превышала 300 км, угол наклона составлял приблизительно 62°.

Образцы стекол, выбранных в качестве объектов исследований, по составу близки фосфатным стеклам [284, 285] и согласно дан­ным наземных испытаний обладали свойством образовывать под электронным облучением сильные внутренние электрические поля и сохранять их длительное время после прекращения облучения. Перед установкой в контейнеры в образцах стекол облучением на линейном электронном ускорителе типа ЛУЭ-8-5 (энергия электро­нов 7?9=6,2 МэВ) и электростатическом ускорителе типа КГУ-300 (#э=0,2 МэВ) создавались электрические поля. При облучении сте­

кол на этих ускорителях ток пучка, а также поток электронов были одинаковыми (0,5—5 мкА и 10u—1015 см-2 соответственно).

Толщина образцов в обоих вариантах облучения превышала иони­зационный пробег электронов. В первом случае он составлял 0,7 от толщины стекол, а во втором 0,1, т. е. исследовалась релаксация как объемного, так и приповерхностного поля. Для каждой серии стекол, запускаемых в космическое пространство, на Земле остава­лись контрольные образцы для сравнительных испытаний.

После возвращения образцов на Землю (по истечении после окон­чания полета периода времени т, мес) проводились следующие из­мерения: методом ударной стимуляции определялось наличие элект­рического поля в образцах, методом ‘у-зондирования [353] — распре­деление потенциала на глубине порядка 1 мм с каждой из сторон и доза радиации, воздействовавшей на образцы во время полета, а на спектрофотометре СФ-4 измерялось оптическое светопропуска — ние образцов стекол до и после космического полета.

Температура нагрева внутренних поверхностей контейнера и об­разцов стекол во время полета не превышала 60° С, а поглощенная в стеклах доза радиации, обусловленная воздействием на них кор­пускулярного излучения, составила 0,14—0,2 Гр. При полете спут­ников «Космос-690 и -782» на поверхности образцов стекол были зарегистрированы также небольшие потоки ионов с различным атом­ным номером Z и энергией. Эти результаты согласуются с данными, полученными на орбитальной станции «Скайлаб».

Метод ^-зондирования для измерения электрического потенциала Ф в стеклах основан на определении эмиссии комптон — и фотоэлект­ронов с поверхности образца в результате его облучения ^-квантами от радиоактивного источника Со60. Толщина зондируемого слоя со­ставляла около 1 мм с обеих сторон образца. По изменению эмиссии из образца диэлектрика в заряженном состоянии и после удаления объемного заряда (путем отжига при 250° С в течение четырех ча­сов) определяется потенциал слоя (табл. 3.5).

Разброс значений потенциала обусловлен различием в потоках электронов при зарядке образцов на ускорителе. Потенциал в соот­ветствующих контрольных и экспонированных в космическом про­странстве образцах практически не отличается.

Как показали измерения оптического пропускания фосфатных стекол до и после полета на спутнике «Космос-782», за время испы­таний стекла практически не изменили своей высокой исходной про­зрачности. Более того, в длинноволновой области спектра (0,6-г — -^0,7 мкм) наблюдается небольшое увеличение прозрачности, выз­ванное, вероятно, просветляющим действием пленки, осажденной на поверхность стекол во время обезгаживания в космическом вакууме органических клеев и связующих, использованных для крепления стекол во внутренних ячейках контейнера.

Необходимо отметить, что в предварительно незаряженных об­разцах после полета не было обнаружено появление какого-либо электрического поля, что объясняется сравнительно низкими орби­тами использованных для экспериментов космических аппаратов, трассы которых проходят ниже радиационных поясов Земли.

Эксперименты показали, что заряженное состояние диэлектри­ков в космосе на околоземных орбитах и в наземных условиях ха­рактеризуется малыми скоростями релаксации и сохраняется дли­тельное время.

Таблица 3.5 Результаты исследований заряженного состояния образцов стекол после’их пребывания в космосе Космический аппарат Образец т, мсс Наличие заряда г, мес Ф. кВ Космос-690 Заряженные 8 Да 5 10—110 Незаряженные 8 Нет 5 — Контрольные 8 Да 5 10—180 Космос-782 Заряженные 4 Да 3 80—380 Незаряженные 4 Нет 3 — Контрольные 4 Да ІЗ 80—480 Космос-936 Заряженные 7,5 Да 5 7—20 Незаряженные 7,5 Нет 5 — Контрольные 7,5 Да 5 4—30

Облучение кремниевых солнечных элементов со стеклами на ус­корителе электронов показало, что при плотности потока электро­нов (с энергией 1 МэВ) 101в см-2 генерируемая элементами после облучения электрическая мощность (при одинаковой исходной мощ­ности) на 25—30% выше в случае защиты стеклами с накоплением заряда, чем при защите обычными радиационно стойкими стеклами.

Таким образом, результаты как наземного, так и космического экспериментов подтверждают возможность увеличения защитных свойств оптических покрытий солнечных элементов за счет взаимо­действия электронов с электрическим полем диэлектрика в случае возникновения достаточно сильных полей во время полета аппарата по орбитам, пересекающим радиационные пояса Земли.