Исследования фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, с просветляющими и теплорегулирующими покрытиями с обеих сторон в условиях радиационного теплообме­на подтвердили результаты лабораторных измерений.

Экспериментальные датчики, установленные на одном из спутников серии «Космос» [92], представляли собой две небольшие секции, каждая из тридцати кремниевых фотоэлементов, соеди­ненных последовательно. Датчики работали в режиме холостого хода, для чего во внешней цепи последовательно с ними были вклю­чены большие сопротивления (несколько кОм) и два стабилитрона. Каждый из датчиков был укреплен на стеклосетке, пропускающей

юо

85—90% излучения в области 1,1 —3,0 мкм; стеклосетка была натя­нута на выносные рамки, укрепленные в одной плоскости с панеля­ми солнечных батарей. Выносные рамки, как и сами сол печные бата­реи, имели постоянную ориентацию на Солнце. Первый датчик был изготовлен из кремниевых фотоэлементов с глубиной залегания р — п-перехода 0,5—0,7 мкм и контактной сеткой, занимавшей не более 5% площади рабочей и тыльной полированных поверх­ностей. На обе поверхности были нанесены трехслойные покрытия (см. 2.2): просветляющее покрытие ZnS + клеящий слой эластич­ного при низкой температуре кремнийорганичес-кого каучука + + пластина из прозрачного радиационно-стойкого стекла. Оптиче­ская толщина покрытия на рабочей поверхности равна 0,15 мкм, стекла —500 мкм, на тыльной стороне —0,3 мкм и 200 мкм со­ответственно. К несущей стеклосетке датчик был приклеен с тыль­ной стороны прозрачным кремнпйорганическим каучуком.

Второй датчик был изготовлен из кремниевых фотоэлементов со сплошным контактом, нанесенным на предварительно шлифо­ванную тыльную поверхность, и вследствие этого непрозрачных в области 1,1—3,0 мкм и с малым суммарным отражением (15 — 20%) в этой области спектра. На рабочую сторону второго датчика наносилось трехслойное покрытие, на тыльную сторону — белая акриловая эмаль сеж 0,95.

До проведения эксперимента в лабораторных условиях была измерена зависимость напряжения, выдаваемого датчиками, от температуры. Для стабилизации температуры датчиков в процессе измерений они погружались в прозрачное кремнийорганическое масло, температура которого фиксировалась с помощью точного термометра. Датчики освещались сквозь масло имитированным излучением Солнца интенсивностью 1360 Вт/м*. Полученные гра­дуировочные зависимости позволили по телеметрическим значе­ниям напряжения, вырабатываемого датчиками при освещении вне­атмосферным Солнцем, определять их температуру в любой момент полета на освещенной части орбиты. Точность использованного метода измерения температуры [93J составляла + 1° С.

Равновесная рабочая температура первого датчика из про­зрачных в инфракрасной области фотоэлементов колебалась в ин­тервале 40—42° С, температура второго датчика, установленного для сравнения,— в пределах 54—58° С. Небольшие колебания равновесной температуры были вызваны, вероятно, небольшим изменением ориентации плоскости датчиков относительно Солнца. Полученные данные говорят об эффективности предложенного нами способа уменьшения равновесной температуры фотоэлементов.

Уменьшение температуры прозрачных в инфракрасной области фотоэлементов по сравнению с обычными на 12—18° С означает увеличение электрической мощности на 6—9%. Равновесная рабо­чая температура обоих датчиков сохранялась постоянной на про­тяжении 3,5 мес, что говорит также о стабильности оптических свойств разработанных для фотоэлементов покрытий.

Дополнительным преимуществом фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, является их стойкость к резкому термоциклированию в вакууме. Удаление контактного слоя с большей части тыльной поверхности, крепление секций на гибкой и эластичной подложке вместо жесткой металлической •позволили в значительной мере снять внутренние напряжения па границах контактирующих сред.

Как показали дополнительные исследования, термоциклирова — пие, происходящее при заходе в тень Земли и выходе из нее, вы­держивается фотоэлементами, прозрачными в инфракрасной области солнечного спектра, без какого-либо уменьшения отдавае­мой ими электрической мощности.

Проведенный эксперимент и полученные данные по темпера­туре датчиков позволили провести проверку точности лаборатор­ных измерений радиационных характеристик поверхности фото­элементов. Основное сомнение при лабораторных испытаниях вызывает точность измерения ас: при измерениях приходится

пользоваться имитированным солнечным излучением, которое не во всех спектральных интервалах точно совпадает с распределением энергии излучения в спектре внеатмосферного Солнца.

Подставив в известные уравнения теплового баланса для фото­элементов в условиях радиационного теплообмена (2.2) получен­ные из лабораторных измерений значения е и из космических — равновесной температуры, можно было подсчитать (с учетом теплового излучения Земли и отраженного от Земли солнечного излучения) величину ас. Для обычных фотоэлементов она оказа­лась равной 0,92—0,93, для прозрачных фотоэлементов — 0,72— 0,73, что близко к значениям, полученным при лабораторных испытаниях.

Для проверки результатов лабораторных испытаний трехслой­ных покрытий на спутниках, неоднократно пересекающих во вре­мя полета радиационные пояса Земли, таких, как «Электрон» и «Молния-1», были поставлены эксперименты по исследованию влияния длительного ультрафиолетового и радиационного облуче­ния на прозрачность оптических покрытий для кремниевых фотоэле­ментов [71]. Например, один из экспериментов состоял в измерении во времени тока короткого замыкания и тока нагрузки распо­ложенных рядом, постоянно ориентированных на Солнце экспе­риментальных модулей, в одном из которых на каждый фотоэле­мент было нанесено трехслойное покрытие, а над другим была закреплена пластина из плавленого кварца с помощью металличе­ской обоймы (без кремнийорганического клея между стеклом и непросветленными фотоэлементами). Полученные эксперименталь­ные данные представлены на рис. 2.24. Отсутствие сколько-нибудь заметного различия в ходе кривых 1 и 2 за более чем семимесячный период пребывания модуля на орбите показывает, что оптические характеристики и прозрачность всех трех слоев разработанного покрытия, сочетающего просветление поверхности и улучшение теплового баланса фотоэлементов с защитой их от воздействия радиации, практически не изменяются при длительной экс плуата — ции в радиационных поясах Земли.

Следует отметить, что в работе [94] было отмечено некоторое потемнение оптических покрытий на основе кварца и каучука в аналогичных летных испытаниях, что, вероятно, объясняется прозрачностью кварца в ультрафиолетовой области спектра и раз­личием сортов каучука, выпускаемого в СССР и США.

Из рис. 2.24, на котором приведено также изменение в тех же условиях тока нагрузки модулей, снабженных тонкими двухслой­ными и однослойными покрытиями (кривые 3, 4), видно, что даже сравнительно небольшое возрастание плотности защиты позволяет значительно увеличить стойкость фотоэлементов к поврежда­ющему воздействию радиации.

Из космических экспериментов с высокой точностью могут быть определены также необходимые для точных тепловых расчетов коэффициент собственного теплового излучения поверхности в полусферу eh и его температурная зависимость. Для приближен­ных расчетов обычно используется нормальная степень черноты е„ (в направлении нормали по отношению к поверхности), которая, например, для стеклянных покрытий превышает значение sh на 0,04-0,06.

Лабораторные измерения с помощью фотометра ФМ-59 и спект­ральные измерения отражения при различных температурах на спектрофотометрах СФ-10 и ИКС-14 позволили определить и рассчитать для трехслойных покрытий при 30° С ас = 0,92 0,93.

Изменение ас при увеличении температуры от 30 до 150° С не пре­вышает +5%. Определение температурной зависимости коэф­фициента излучения в полусферу Е/, в лабораторпых условиях значительно сложнее. В частности, терморадиометр ФМ-63 позво­ляет получить значения є только при температуре 15—30° С и для углового поля зрения, не превышающего 110°.

Расчетным путем можно было определить в при углах, близких к нормали, так как в области 3,0—40 мкм с достаточной точностью могли быть проведены спектральные измерения коэффициента отражения фотоэлементов только при угле падения излучения не более 11—15°. Радиометрические измерения eh в лаборатории при­водят к ошибкам, достигающим 50% [411. Для точного определе­ния ел трехслойных покрытий был поставлен ряд космических экспериментов. На автоматических межпланетных станциях «Венера-5», «Венера-6» и на спутниках Земли серии «Молпия-1» были установлены теплоизолированные от корпуса эксперимента —

лытые датчики, укрепленные па выносных металлических рам­ках с натянутой стеклосеткой. На стеклосетку с обеих сторон были наклеены секции фотоэлементов с трехслойными покрытия­ми, а внутри вклеен чувствительный термодатчик. Одинаковые СО всех сторон фотоэлементов коэффициенты ас И Є/, позволяли по полученным телеметрическим данным о равновесной температу­ре и лабораторным значениям ас определить коэффициент излуче­ния В полусферу 8,1 трехслойпых покрытий (ZnS + каучук + + радиационно-стойкое стекле). Датчики на спутниках серии «Мол­ния-1», работавшие в условиях постоянной солнечной освещенности, позволили определить eh трехслойных покрытий при 55—70° С, который оказался равным 0,84—0,86. Датчики на AMG «Венера-6», постепенно нагревавшиеся по мере приближения к Солнцу, сдела­ли возможным измерение коэффициента излучения в полусферу в диапазоне 40—120° С (рис. 2.25). Полученные данные позволили уточнить тепловые расчеты солнечных батарей.

Стабильность оптических свойств, высокий коэффициент соб­ственного теплового излучения, подтвержденные в космических экспериментах, говорят об эффективности использования трех­слойных покрытий для улучшения теплофизических характеристик поверхности полупроводниковых фотоэлементов и защиты их от космической радиации.

2.3.