Поскольку эталонирование солнечных элементов в космических ус­ловиях с возвратом эталонных образцов на Землю достаточно слож­но и дорого, были выполнены эксперименты по измерению парамет­ров солнечных элементов из кремния и арсенида галлия на косми­ческих аппаратах при использовании системы телеметрии, причем полученные данные могли быть с высокой достоверностью отнесены к оставшимся на Земле точным дубликатам исследованных элемен­тов, имеющим такие же, как полетные образцы, спектральные и вольт-амперные характеристики. Для проведения экспериментов были выбраны автоматические межпланетные станции (АМС) серии «Венера» [456], панели солнечных батарей которых имеют несколь­ко надежных каналов телеметрии, в частности, для измерения тем­пературы батарей. Высокая точность системы ориентации на Солнце солнечных батарей АМС «Венера» позволяет с большой достовер­ностью оценить качество прогнозирования характеристик солнечных батарей в космических условиях.

Электрические параметры солнечных элементов и модулей экс­периментальных батарей, проходивших испытания на АМС «Вене­ра», измерялись в процессе всех этапов контроля в производстве, а также на высококачественных имитаторах солнечного излучения в лабораторных условиях. В лаборатории исследования выполнялись на имитаторе с ксеноновой лампой и интерференционными фильтра­ми, аналогичном описанному в работе [21], и на имитаторе с метал­ло-галогенными (газоразрядными) лампами [400—402]. Кроме того, измерения проводили с помощью имитатора С-1 на основе гало­генных ламп накаливания с фильтром из набора цветных стекол [395] или только с теплопоглощающим слоем дистиллированной воды [404]. Параметры батареи в процессе изготовления и сборки измерялись под лампами накаливания без коррекции спектра [403] и лампами-фарами с коррекцией спектра [407].

Настройка высококачественных имитаторов в лабораторных усло­виях проводилась с помощью эталонных солнечных элементов со­ответствующего типа. Градуировка эталонов применительно к мощ­ности потока и спектру внеатмосферного солнечного излучения осуществлялась методом экстраполяции результатов измерений тока короткого замыкания на естественном солнечном излучении в на­земных условиях к нулевому значению атмосферной массы. Точ­ность градуировки проверялась сличением полученных параметров с данными от аналогичных солнечных элементов, которые устанав­ливались в виде датчиков на различных космических аппаратах. Кроме того, внеатмосферные параметры вычислялись по абсолютной спектральной чувствительности.

Экспериментальные батареи, установленные на АМС «Венера», состояли из четырех отдельных генераторов, каждый площадью 0,5 м2. Генераторы монтировались из модулей, собранных из сол­нечных элементов следующих типов: кремниевых с глубоким за­леганием р—тг-перехода (1,0—1,2 мкм), кремниевых со сравнительно мелким переходом (0,3—0,5 мкм) и элементов на основе гетеро — структуры AlGaAs—GaAs. Все кремниевые модули состояли из па­раллельно соединенных элементов крупного размера, прозрачных для инфракрасной части солнечного излучения. Элементы защищены об­щим стеклом, на тыльную поверхность которого нанесена сетка из

Рис. 4.19. Абсолютная спектральная чувствительность выполненных из разных полупроводниковых материа­лов солнечных элементов, установ­ленных на АМС «Венера-13 и -14»

1 — кремний с глубиной залегания

р—n-перехода гл=0,Зт-0,5 мкм,

2 >— кремний с гл=*1,0-М,2 мкм;

3 — на основе гетероструктуры

p-AlGaAs—p-GaAs—n-GaAs с тонким слоем (менее 1 мкм) твердого раствора p-AlGaAs;

4,5 — на основе той же гетероструктуры со слоем p-AlGaAs толщиной 10 и 15 мкм соответственно

высокоотражающего металла, совпадающая с расположением меж­элементных контактных соединений. Конструкция модулей была успешно испытана при полете АМС «Венера-9 и -10» .[142]. Бла­годаря сочетанию прозрачной конструкции самих кремниевых эле­ментов с отражающей сеткой равновесная температура батарей сни­зилась в условиях полета приблизительно до 45° С. Модули из эле­ментов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs имели непрозрач­ную конструкцию без теплоотражающей сетки, в связи с чем их равновесная рабочая температура составляла 65—70° С.

Достаточно точные дубликаты генераторов и солнечных элемен­тов, из которых были изготовлены генераторы, сохранялись в лабо­ратории до конца полета. Затем из этих элементов были выбраны эталонные. При отборе и градуировке эталонных элементов учиты­валось, насколько близко совпадали данные лабораторного, высоко­горного и космического эталонирований.

Для станции «Венера-13» генератор собирался из солнечных эле­ментов (на основе гетероструктур AlGaAs—GaAs) со спектральной характеристикой, подобной кривой 5 (рис. 4.19), для станции «Ве­нера-14» — кривой 4. При расчете использовались данные по спек­тральному распределению солнечного излучения, выведенные Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым [358].

Результаты измерений электрических параметров нескольких ге­нераторов экспериментальных батарей на солнечном имитаторе и в ходе полета представлены в табл. 4.2. Имитатор с лампами накали­вания без коррекции спектра настраивался для всех типов генера­торов с помощью одного и того же обладающего высокой стабиль­ностью чувствительности (проверенной в течение более десяти лет) эталонного солнечного элемента на основе кремния с глубоким за­леганием р—«-перехода. Ток короткого замыкания и температура измерялись в начале полета, когда платность потока солнечного из* лучениялааШбверхности батарей составляла 1,01 солнечной постоли

ной. Коэффициент пересчета (переходный коэффициент), позволяю­щий на основе результатов измерения на имитаторе получить значения для внеатмосферных условий, определялся как отноше­ние тока нагрузки батареи, который она показала в космиче­ских условиях, к току нагрузки при измерении на имитаторе. Теоре­тическое значение коэффициента вычислялось по спектральной чувствительности солнечных элементов.

Таким образом, если имитатор на лампах накаливания без кор­рекции спектра настраивать по эталонному элементу из кремния с глубоким р—«-переходом, нагрузочный ток батареи, собранной из аналогичных элементов, в космосе такой же, как при измерении на имитаторе. У батарей, собранных из кремниевых элементов с мел­ким р—«-переходом, ток оказывается в среднем на 10% выше, чем на имитаторе. При тех же условиях ток батареи, собранной из эле­ментов на основе гетеросистемы AlGaAs—GaAs, будет выше на 10— 20% (в зависимости от спектральной характеристики).

Это связано с существенным отличием спектральной чувстви­тельности элементов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs и из кремния с мелким р—«-переходом от чувствительности кремниевых элементов, имеющих большую глубину залегания р—«-перехода, из которых изготовлен эталон. При одинаковом токе короткого замы­кания под излучением лампы накаливания (7%,—2800 К) элементы, выполненные по различной технологии и из разных полупроводни­ковых материалов, отличаются по значению тока короткого замыка­ния при работе под солнечным излучением за пределами атмосферы Земли (Гцв^бООО К). С уменьшением глубины залегания р—«-пере — хода в кремниевых элементах их спектральная чувствительность ме­няется в основном в коротковолновой части (см. рис. 4.19) на дли­нах волн, где энергия солнечного излучения значительно больше, чем у лампы накаливания. В результате ток во внеатмосферных ус­ловиях по сравнению с током на имитаторе возрастает. У элементов на основе гетероструктуры p-AlGaAs—p-GaAs—n-GaAs при умень­шении слоя оптического окна-фильтра из твердого раствора AlGaArf с 10 мкм до менее 1,0 мкм область спектральной чувствительности также расширяется в коротковолновую часть (см. рис. 4.19, кри­вые 3—5) и внеатмосферные параметры по сравнению с параметра­ми, определенными на имитаторе при настройке по кремниевому эталону, растут. Расчет тока короткого замыкания по спектральной чувствительности показывает, что для образца на основе гетеро­структуры с малой толщиной окна-фильтра коэффициент пересчета значительно увеличивается и составляет 1,54.

Введение соответствующих поправок при настройке имитаторов не всегда приводит к полному устранению ошибки, поскольку усло­вия измерений (параметры излучения) и характеристики самих эле­ментов не остаются во всех случаях постоянными. Для точного про­гнозирования эксплуатационных параметров батарей в космосе при измерениях лучше использовать эталоны, созданные не только на основе того же типа элементов, но и изготовленные по аналогичной технологии.

При настройке имитатора могут быть применены стабильные эта­лоны, изготовленные по иной, чем измеряемые солнечные элементы, технологии, однако при использовании этих эталонов необходимо введение поправочных коэффициентов, установленных в результате тщательных лабораторных и натурных испытаний.