Испытания в лабораторных условиях дают возможность с доста­точной точностью прогнозировать поведение покрытий в косми­ческих условиях. Точность прогнозирования обеспечивается мак­симальным приближением проводимых испытаний к натурным условиям.

Воздействие ультрафиолетового излучения и термоциклиро — вания. Стойкость покрытий к ультрафиолетовому излучению Солнца исследовалась на установках, снабженных ртутными и ксеноновыми лампами, позволяющими получить мощность излу­чения в ультрафиолетовой части спектра, в 6—10 раз превышаю­щую ультрафиолетовое излучение Солнца; образцы при этом на­ходились за прозрачным кварцевым окном в вакууме при давле­нии 1 • 10~5 мм рт. ст. и температуре от 30 до 70° С.

Интенсивность ультрафиолетового излучения определялась расчетом по результатам измерения для каждого данного расстоя­ния от лампы до образцов /к. э кремниевого фотоэлемента (абсо­лютная спектральная чувствительность которого ранее была измерена) при облучении ртутной лампой с известным относи­тельным спектральным распределением энергии излучения. Эти же установки позволяли проводить термоциклирование образцов в интервале от +100 до —100° С, охлаждение осуществлялось жидким азотом со скоростью 3—4 °С/мин. Измерение коэф­фициентов пропускания покрытий проводилось на спектрофото­метре СФ-4, КПД фотоэлементов — под имитатором внеатмос­ферного Солнца с удельной мощностью падающего излучения 1360 Вт/м2 и хорошим воспроизведением спектра Солнца в интер­вале от 0,4 до 1,1 мкм.

Из результатов испытаний (рис. 2.14) видно, что прозрачность в области 0,4—1,1 мкм после облучения в вакууме ультрафиоле­товым излучением, эквивалентным пребыванию образцов на вне­атмосферном Солнце в течение 600 ч, значительно меньше в случае кремнийорганического покрытия при I ж 120 мкм, чем в случае того же покрытия при I ^ 30 мкм. Это можно объяснить резким

возрастанием поглощения ультрафиолетовой части солнечного спектра при увеличении толщипы покрытия.

При увеличении толщины кремнийорганического покрытия уменьшается его стойкость к многократному термоциклированию в вакууме, а возникающие из-за разности коэффициентов тепло­вого расширения полимерного слоя и кремния большие внут­ренние напряжения (особенно при низких температурах) приво­дят к отслоению покрытия от кремния или к разрушению контак­тирующих материалов.

Был сделан вывод, что единственным способом увеличить толщину защитного слоя является приклейка прозрачных в об­ласти 0,4—1,1 мкм пластин из неорганического материала, не темнеющего под длительным воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и космической радиации. Испытания показали (рис. 2.15), что из многих исследованных материалов этим тре­бованиям удовлетворяют лишь синтетические: сапфир (А1203), плавленый кварц, а также специальные сорта стекол (бороси­ликатное оптическое стекло), содержащие 2% Се02 [81]. Для ис­следований были выбраны два сорта боросиликатных стекол с 2% Се02, несколько отличавшихся по составу, — № 1 и № 2. Оба оказались стойкими к воздействию радиации. Для сравнения на рис. 2.15 показано, как сильно темнеет при облучении теми же потоками протонов и электронов стекло с добавкой лишь 0,1% Се02.

Все эти материалы, за исключением стекла № 2, успешно выдержали многократное термоциклирование в вакууме от +100 до — 100° С. Стекло № 2 оказалось недостаточно термостойким: на нем в результате термоперепадов образовались мелкие тре­щины, приводившие к потере прозрачности.

Чтобы при приклейке прозрачной защитной пластины но ухудшались просветляющие свойства покрытия, материал за­щитной пластины должен иметь показатель преломления около

1,5. Таким образом, сапфировые пластины, имеющие более вы­сокий показатель преломления, не могут быть использованы для приклейки, так как в этом случае появляются потери на отраже ние на границе сапфир—клей (показатель преломления клея 1,5) и коэффициент отражения на верхней границе покрытие — воздух возрастает с 4 до 8%. Плавленый кварц и стекло № 1 удовлетворяют этому требованию, так как имеют показатели пре­ломления соответственно 1,45 и 1,51. Для того чтобы сделать не­нужным нанесение на внутреннюю поверхность защитных пластин многослойного интерференционного фильтра, необходимо выбрать для защитных пластин тот материал, который в значительной степени сам бы поглощал ультрафиолетовое излучение, и в ка­честве клеящего материала использовать полимерный материал, обладающий высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению.

1 — сапфир; 2 — плавленый кварц; 3 — боросиликатные стекла № 1 и М2 с 2% С еО, 4 — боросиликатное стекло с 0,1% Се02

РИС. 2.16. Спектральные зависимо­сти коэффициента пропускания пла­стин (1 = 1 мм) до облучения

і — сапфлр; г — плавленый кварц; з — бпроснликатное стекло № 1 с добавкой £% Сс02

Из кривых пропускания сапфира, плавленого кварца и бо­росиликатного оптического стекла № 1 с 2% Се02 (рис. 2.16) видно, что стекло (во многом благодаря добавке Се02) непрозрач­но для ультрафиолетового излучения с X ^ 0,35 мкм. Следова­тельно, оно будет защищать клеящий состав от потемнения под действием ультрафиолетового излучения лучше, чем плавленый кварц.

В качестве клеящего состава после длительных исследований был выбран прозрачный кремнийорганический каучук, сохра­няющий высокую эластичность до весьма низкой температуры. Благодаря пластической деформации каучука снимаются внут­ренние напряжения, возникающие в клеевом слое при термоцик — лировании. Характерная для кремнийорганических соединений плохая адгезия к стеклу и кремнию была улучшена с помощью весьма тонких (2—5 мкм) промежуточных слоев светостойкого кремнийорганического лака, предварительно наносимых на стек­ло и просветленный кремний. Обладая не меньшей исходной прозрачностью, чем эпоксидная смола [74, 751, выбранный крем­нийорганический материал благодаря прочности молекулярных связей обладает значительно большей стойкостью к ультрафио­летовому излучению. Испытания показали, что кремнийоргани­ческий каучук под защитным стеклом при облучении в течение 600 солнечных часов (время, после которого, по нашим измере­ниям, заканчиваются процессы образования центров окрашива — вания в кремнийорганических покрытиях) практически не тем­неет, что объясняется, кроме повышенной стойкости к ультра­фиолетовому излучению Солнца, полной прозрачностью тонкого слоя кремнийорганического каучука для той небольшой части ультрафиолетового излучения (0,35—0,4 мкм), которая пропуска­ется стеклом с 2% Се02.

Измерения спектральной чувствительности и вольт-амперной нагрузочной характеристики (под имитатором солнечного излу­чения с Р = 1360 Вт/м2) кремниевых фотоэлементов с полиро­ванной поверхностью площадью 1,5 см2 до и после нанесения трехслойного покрытия, состоящего из просветляющего слоя ZnS (d = 0,15 мкм), клеящего слоя из кремнийорганического кау­чука и защитной стеклянной пластины, показали (рис. 2.17), что трехслойные покрытия благодаря своим просветляющим ка­чествам позволяют увеличить /ц. з и КПД фотоэлементов на 40— 42%. Результаты, представленные на рис. 2.17, говорят о том, что длительное воздействие ультрафиолетового излучения Солнца в вакууме, равное по интенсивности пребыванию на внеатмосфер­ном Солнце в течение 600 ч, весьма слабо сказывается на опти­ческих свойствах трехслойного покрытия, так как характеристики фотоэлементов с покрытием почти не изменились после испытаний. Испытания на стойкость к термоперепаду в вакууме в интервале от +100 до —100° С с выдержкой более 1 ч при каждом из край­них значений температуры показали, что оптические и механи­ческие свойства трехслойного покрытия сохраняются при тол­щине защитных стеклянных пластин 0,15—3 мм. Благодаря вы­сокому коэффициенту излучения стекла (е = 0,9) трехслойное покрытие обладает хорошими теплорегулирующими свойствами и позволяет стабилизировать рабочую температуру фотоэлемен­тов на уровне 65—70° С.

Испытания на стойкость к механическим повреждениям н истиранию. Дополнительным преимуществом трехслойных покры­тий с внешним слоем стекла является их способность защищать фотоэлементы от воздействия микрометеоритов в космических условиях и от песчаных частиц при работе в пустынных южных районах.

Были проведены испытания, имитирующие в лабораторных условиях истирание и механическое повреждение микрометеори­тами и песчаными частицами поверхности солнечных элементов. Полученные на электрофизическом ускорителе потоки стеклянных (диаметром 10—50 мкм) и хромовых (диаметром около 5 мкм) час­тиц направлялись на поверхность кремниевых фотоэлементов с просветляющими однослойными (пленка ZnS), двухслойными (ZnS + слой кремнийорганического лака) и трехслойными (ZnS+ каучук + стекло толщиной 0,2—0,5 мм) покрытиями. Для ими­тации 3—4-летней работы на опасных в метеоритном отношении орбитах вокруг Земли потоки при испытаниях доводились, на­пример, по хромовым частицам до плотности 3-104 частиц/м2.

В результате облучения на поверхности кремния (в случае однослойных и двухслойных покрытий) образовывались крат ры глубиной до 80—90 мкм, наблюдалось возрастание диффузной составляющей коэффициента отражения и во многих случаях — закорачивание р—п-перехода и полное разрушение просветля­ющего и полимерного покрытий.

При трехслойном покрытии (с внешним слоем стекла) проис­ходило превращение полированной поверхности стекла в матовую, шероховатую. Это не приводило к сколько-нибудь заметному ухудшению характеристик солнечных элементов, поскольку бла­годаря хорошему оптическому контакту кремния со стеклом весь солнечный свет после многократных отражений от возникших не­ровностей на внешней поверхности стекла попадает почти полно­стью в фотоэлемент. В то же время электрофизические характе­ристики фотоэлементов благодаря трехслойному покрытию оста­ются неизменными даже после облучения большими потоками стеклянных и хромовых частиц.

Зависимость оптических и электрических характеристик фо­тоэлементов от угла падения солнечных лучей. Солнечные эле­менты и батареи часто работают в условиях, когда периодически изменяется их положение относительно источника излучения или, наоборот, меняется угол падения солнечных лучей на не­подвижную поверхность батарей. Таковы, например, фотогене­раторы для энергопитания маяков и речных буев, устанавливае­мые на жестко закрепленных опорах и не снабжаемые системой слежения за Солнцем. В условиях переменного угла падения сол­нечных лучей функционируют солнечные батареи, смонтирован­ные непосредственно па внешней поверхности спутников Земли, имеющих сложную форму. Постоянно меняются интенсивность освещения и угол падения света на поверхность малогабаритных солнечных батарей, предназначенных для постоянной подзарядки аккумуляторов наручных электронных часов и калькуляторов.

На рис. 2.18 показаны измеренные при различных углах У. между нормалью к поверхности и направлением падения солнеч­ных лучей вольт-амперные характеристики малогабаритной кремниевой солнечной батареи площадью 2×2 см для электрон­ных часов (внешнее покрытие —полированное стекло). Измерения проводились в специальном зачерненном тубусе с диафрагмами, угловой размер светового пучка не превышал ±1,5°, точ­ность поворота относительно Солнца батареи, помещенной в ту­бус, составляла 1°, слежение всего тубуса за Солнцем осуществля­лось с помощью часового механизма и фотоэлектрического датчика ориентации. Измерения проводились при прозрачной сухой ат­мосфере в высокогорных условиях [4], интенсивности солнечного излучения около 920 Вт/м2, воздушной массе атмосферы 3,5 и температуре солнечной батареи во время измерений +40° С.

Два обстоятельства обусловливают показанную на рис. 2.18 и характерную для солнечных батарей зависимость вольт-ампер — ной характеристики от угла падения солнечных лучей:

1) уменьшение освещенности по закону косинуса при отклоне­нии угла падения солнечных лучей от нормали к поверхности;

2) возрастание коэффициента отражения как полупроводников, так и стекла при больших углах падения света [41].

Было обнаружено, что влияние второй причины угловой за­висимости параметров солнечных батарей может быть значительно уменьшено созданием развитого микрорельефа как поверхности полупроводника, так и поверхности внешнего слоя стекла при условии, что глубина равномерно распределенных углублений поверхности будет соизмерима со значениями X солнечного спектра.

Эксперименты показали, что для кремниевых солнечных ба­тарей наиболее эффективным является создание микрорельефа внешней поверхности защитных стекол их предварительной (до

0, и К

000 400 200 О

РИС. 2.17. Спектральные зависимости абсолютной чувствительности (а) и вольт-амперные нагрузочные характеристики (б) кремниевого фотоэлемента 1 — до просветления; 2 — с трехслойным понрытисм до облучения; 3 — после облучения в вануумс ультрафиолетовым излучением

О 20 40 00 00 X, іраЗ

РИС. 2.18. Вольт-амперные характеристики кремниевой солнечпой^батарен для электронных часов при различных углах падения^солнечного излучения

1 — X = 0; 2 — X — 20°; 3 — х = 40°; 4 — х = 60°; 5 — г = 80°

РИС. 2.19. Зависимости плотности тока короткого[замыкания тонкопленоч­ного солнечного элемента CdS—Cu2S от угла падения солнечного излучения при различных покрытиях

1 — полированная стеклопленка (/ = 100 мим); 2 — диолеитрическая пленка А1203
приклейки) шлифовкой микроабразивными порошками с диа­метром зерна 5—10 мкм. Для тонкопленочных солнечных бата­рей на основе гетеросистем CdS—Cu2S или CdTe—Cu2Te очень удобным способом улучшения угловых характеристик оказалось проведение такого процесса осаждения слоя CdS или CdTe, кото­рый приводит к получению поликристаллических пленок с микро­зернами размером 0,5—1,5 мкм. Последующее нанесение слоя Cu2S (или Си2Те), а также диэлектрических защитных пленок, например А1203 или Si02, испарением электронным лучом в ва­кууме сохраняет практически без изменений развитый микрорель­еф поверхности поликристаллических пленок CdS с углубления­ми, соизмеримыми со значениями К солнечного спектра.

На рис. 2.19 представлены угловые зависимости плотности тока короткого замыкания тонкопленочного фотоэлемента си­стемы CdS—Cu2S с покрытием из стеклопленки с полированной поверхностью и с диэлектрической пленкой А1203, полностью повторяющей микрорельеф поверхности слоев CdS и Cu2S.

Результаты измерений, показанные на рис. 2.19, позволяют количественно оценить значительное преимущество развитого ми­крорельефа поверхности для солнечных батарей, работающих при переменных углах падения солнечного света.

Выбор покрытия и способа обработки поверхности, наиболее подходящих для таких солнечных батарей, удобно производить при представлении экспериментальных результатов в виде за­висимости величины /„.з (x)/cos х (в относительных единицах) от угла х между направлением падения солнечных лучей и нор­малью к поверхности, где /к. э (х) — значение плотности тока ко­роткого замыкания солнечной батареи при данном угле X — При этом величина /к.3 (x)/cos % принимается равной единице для слу­чая, когда изменение /к.3 солнечных батарей от угла падения лу­чей происходит в точном соответствии с законом косинуса. На рис. 2.20 показаны зависимости, полученные для нескольких ти­пов покрытий и видов обработки поверхности солнечных батарей из монокристаллического кремния и поликристаллических пле­нок CdS—Cu2S, в частности с покрытиями из стекол, внешняя по­верхность которых предварительно шлифовалась микропоро­шком из SiC с диаметром зерна 10 мкм (кривые 4, б на рис. 2.20) и 7 мкм (кривая 7 на рис. 2.20).

Для определения ІШД солнечных элементов при различных углах падения света необходимо знать угловую зависимость не тока короткого замыкания, а тока при определенном оптимальном сопротивлении нагрузки внешней цепи. В ходе экспериментов были получены и эти зависимости, которые для солнечных элементов с низким последовательным сопротивлением Ra практически сов­пали С приведенными выше зависимостями /,(.з от X. Для сол­нечных элементов с высокими значениями 7?п (для топкопленоч-

РИС. 2.20. Зависимость/к а (x)/cosX от угла падения солнечных лучей для кремниевых (а) и тонкопленоч­ных CdS—Cu2S (б) солнечных эле­ментов с различными покрытиями 1,6 — полированное стекло;

2 — матовый полимерный слой;

3 — прозрачный полимерный слой; 4,6,7 — шлифованное стекло;

6 — пленка А1,0> ных фотоэлементов площадью 1 см2 значения і? п могут составлять иногда более 10 Ом) угловые зависимости нагрузочного тока вы­ражены значительно менее резко (для всех типов покрытий и ви­дов обработки поверхности). По этой же причине нагрузочный ток таких фотоэлементов очень медленно падает с уменьшением интенсивности освещения, что позволяет наблюдать в экспери­менте интересное явление — рост КПД при переходе от высоких освещенностей к низким.

Спектральные и интегральные характеристики покрытий для фотоэлементов. В табл. 2.4 приведены сравнительные характе­ристики кремниевых фотоэлементов до и после нанесения одно-, двух — и трехслойных покрытий. Указаны коэффициент отражения при К = 0,6 мкм, интегральные коэффициенты поглощения ас и излучения є рабочей поверхности и плотность радиационной защиты с помощью данного покрытия. Из табл. 2.4 видно, что разработанное трехслойное покрытие обладает оптимальным комплексом оптических, тепловых и защитных свойств.

	Таблица 2.4
Просветляющие, теплорегулирующие и защитные свойства покрытий для кремниевых фотоэлементов
Покрытие		е (при 30° С)	Я, % (при X = =0,6 мкм)	Увеличе­ние кпд, %	Плотность защиты, Г/см2
Без покрытия	0,09—0,7	0,19—0,24	36	_	_
Просветляющее SiO(n = = 1,9, d = 0,15 мкм)	0,91—0,93	0,19—0,24	1,0—1,5	38—40	—
Просветляющее и тепло­регулирующее ZnS (п = = 2,3, d = 0,15 мкм)+ + кремнийорганический лак (л = 1,5, d = 40= =80 мкм)	0,93—0,95 0,85—0,92	4,3	40—42	0,01
Просветляющее, тепло­регулирующее н защи­щающее от радиации ZnS -|-кремнийорганіічес — кий лак — J — петемнеющее стекло (п = 1,5, d = — 0,2=3 мм)	0,93-0,95	0,90	4,3	40-42	0,1-0,6

Спектральное распределение коэффициента отражения поли­рованной приемной поверхности кремниевых фотоэлементов до и после нанесения защитных и теплорегулирующих покрытий представлено на рис. 2.21, на котором в области солнечного спект­ра (0,2—3 мкм) использовалась «деформированная» шкала к, отражающая распределение солнечной энергии по спектральным интервалам, в остальной части спектра шкала X равномерная. Кривые 1—4 на рис. 2.21 получены для фотоэлементов, которые непрозрачны во всем исследованном интервале спектра вследст­вие того, что их темновая нерабочая сторона полностью покрыта металлическим контактом, образованным химическим осаждением никеля или вакуумным испарением титана на предварительно шлифованную поверхность кремния. Если коэффициент излуче­ния е благодаря двухслойным или трехслойным покрытиям поч­ти достигает уровня є черного тела, то получить теоретически возможное (без уменьшения КПД) низкое значение ас = 0,66 [82,83] указанные покрытия не позволяют (см. рис. 2.21 и табл. 2.4). Основной причиной этого является невысокое отражение в области 1,1—3,0 мкм, на которую приходится около 26% энер­гии падающего солнечного излучения. Как уже указывалось [74, 82], для защиты от ультрафиолетового излучения и уменьшения ас предложено наносить на внутреннюю поверхность стеклянных

РИС. 2.21. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремние­вых фотоэлементов с различными покрытиями

1 — без покрытия; 2 — SIO (d = 0,15 мкм); 3 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийоргани- ческий слой (/ = 50 мкм); 4 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийорганический каучук + + стеклянная пластина (( =■ 0,5 мм); 5 — идеальное охлаждающее пластин, приклеиваемых к кремнию, интерференционный фильтр, состоящий из 38, 41 и 58 слоев. Однако высокое отражение в об­ласти солнечного спектра достигается при этом только в интер­вале спектра 1,1—1,8 мкм, причем оптические свойства фильтров подвержены значительным изменениям при облучении ультра­фиолетовым излучением и ядерными частицами [56].