Преобразователи энергии солнечного излучения зарекомендова­ли себя как надежные и эффективные источники электроэнергии, например, на борту космических аппаратов, как датчики инфор­мации о спектральном составе и направлении солнечных лучей, как простые и безотказные элементы систем автоматики и ориен­тации летательных аппаратов.

Преобразователи солнечной энергии могут широко исполь­зоваться не только в системах малой автономной энергетики и автоматики, но и в повседневном быту и в промышленной энерге­тике. Создание и успешная опытная эксплуатация первых домов с солнечным отоплением и кондиционированием, применение фотогенераторов для питания радиоприемников, телевизионных установок, радиостанций, маяков, речных и морских буев, инте­ресные и вполне осуществимые проекты больших солпечных элек­тростанций, использующих как солнечные теплоэнергетические, так и фотоэлектрические преобразователи — несомненные свиде­тельства больших перспектив солнечной энергетики [2, 7, 11, 16, 206-211].

Большую роль в обеспечении высокого КПД и длительного срока службы солнечных батарей в космосе и систем автономной малой энергетики на Земле сыграли оптимизированные селектив­ные оптические поверхности и покрытия. Еще большее значение будут иметь эти элементы преобразователей солнечной энергии в будущем. Напомним лишь два примера из многих, приведенных в книге: с помощью селективных покрытий с высоким отношением интегральных оптических коэффициентов а,/е можно получить эффективность поверхности, превышающую 90% (см. главу 3); про­зрачные в солнечной и белые в инфракрасной области селек­тивные покрытия позволили создать фототермопреобразователп, преобразующие солпечпое излучение одновременно в электриче­скую и тепловую энергию с суммарным КПД, достигающим 7й — 80% (см. главу 4).

Очень важным для широкого развития солнечной энергетики является удешевление используемых материалов, разработка автоматизированной технологии производства, увеличение срока службы гелиоустановок в разнообразных климатических условиях

Все эти требования в полной мере относятся и к селективным покрытиям оптических поверхностей преобразователей солнечной энергии.

Разработка кремниевых фотоэлементов с селективной прием­ной поверхностью (высокое отношение ас/е) и низким последова­тельным сопротивлением [212], успешные испытания вакууми — рованной конструкции коллектора солнечной радиации, в котором солнечные элементы будут надежно защищены от окружающей среды [213], говорят о реальной возможности создания в ближай­шем будущем фототермических солнечных установок для эффек­тивного преобразования одновременно в электрическую и тепло­вую энергию как однократного, так и концентрированного сол­нечного излучения в самых неблагоприятных климатических условиях.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследова­ния, разработанные простые и хорошо воспроизводимые приемы создания селективных поверхностей, легко поддающиеся автома­тизации, возможность получения покрытий, свойства которых близки к оптимальным и стабильны в течение многих лет эксплуатации — все это говорит о том, что проблемы, возни­кающие в ходе развития новой области солнечной энергетики, ■будут успешно решены.

[1] + /;_! »> ЄХР (— 2t(Pj) ’

[2] — Гсп легированного слоя; 2, 3,4, $ и в — со слоями сильнолегироваиного Si 11-типа (с концентрацией примесей 2-Ю3" сы-°) при (л — 0,5; 0,75; 1,0; 1,5 и 2,0 мим соответст­венно

[3] П2 < По II пх < (ПпП2)’1г (или < п.1:), что невозможно, так как пх может быть только больше 1.

На рис. 1.9 показаны зависимости, рассчитанные по форму­ле (1.37) при выполнении условия (1.35). Нулевое отражение от­вечает таким значениям кх, при которых выполняется (1.38).

Условие получения нулевого отражения для показателя пре-

[4] На высокогорной станции Государственного астрономического института им. Штернберга близ Алма-Аты в ноябре 1976 г.

Термическому окислению подвергались слои меди, предвари­тельно гальванически осажденные на подложки из нержавеющей стали и алюминия [108]. Меднение производилось в электролите, состоящем из CuS04 (100 г/л) и H2S04 (25 г/л и 40 г/л), при плот­ности тока 4—8 А/дм2 и температуре 20° С. Окисление происходило в печи при температуре 400° С в течение 10 ч. Исследовано измене­ние коэффициентов ссс и є в зависимости от толщины пленки СиО. Наиболее тонкие слои CuO (I = 0,15ц-0,2 мкм) приводили к значе­ниям осс =‘ 0,62 — ч — 0,8 и е = 0,18 — ч — 0,2. При пленке СиО с

[6] — 0,4 — ч — 0,47 мкм оптические коэффициенты принимали следу­ющие значения: ас = 0,87 — ч — 0,9 и є = 0,26 — ч- 0,35. Как видно, метод термического окисления не приводит к оптимальным значе­ниям коэффициентов ас и е.

Подгруппа б. Образование черных окислов в процессе хими­ческого травления поверхности металла. В работе [107], например, рекомендуется создавать селективные покрытия путем химической обработки меди в травителе Ebonol-C и стали в травителе Ebonol-S (состав травителей не сообщается). Химическая обработка в ЕЬо — по1-С в течение 5 мин при 78° С (температура кипения травителя 102° С) приводит к образованию на меди поглощающего слоя СиО черного цвета с ас = 0,91 и е = 0,16, а обработка стали в Ebonol-S в течение 15 мин при 140° С (температура кипения Ebonol-S) — к получению СиО темно-синего цвета с ас = 0,85 и є = 0,10.

Как было показано выше, важной составной частью комбини­рованных преобразователей солнечной энергии являются фото­элементы из GaAs, прозрачные в инфракрасной области спектра кремниевые фотоэлементы и теплоотражающие зеркальные покрытия.

Показательной и ответственной проверкой этих элементов комбинированных преобразователей явилась их опытная эксплу­атация в полете советских межпланетных автоматических станций «Венера» и при активной работе на поверхности Луны станций «Луноход-1 и -2» [203].

Основным обстоятельством, позволившим провести такую проверку, явился тот факт, что обе эти программы не могли быть выполнены с помощью кремниевых солнечных батарей обычной конструкции и потребовали как разработки новых типов и кон­струкций кремниевых солнечных элементов, так и применения солнечных батарей из других полупроводниковых материалов.

Главные из особенностей работы солнечных батарей в этих случаях: повышение уровня поступающей на батарею солнечной радиации при одновременном росте рабочей температуры солнеч­ных батарей (в случае аппаратов, летящих к Венере) и сущест­венное возрастание уровня равновесной рабочей температуры сол­нечных батарей при постоянной солнечной радиации (в случае автоматических самоходных аппаратов типа «Луноход», предназ­наченных для длительного функционирования на поверхности Луны) но сравнению с аппаратами, действующими в околозем­ном пространстве.

Расчет показал, что равновесная рабочая температура солнеч­ных батарей «Лунохода», освещаемых Солнцем и подогреваемых значительным тепловым излучением Луны, устанавливается на уровне 125—145° С. Температура солнечных батарей, собранных из кремниевых солнечных элементов обычной конструкции, на трассе перелета Земля—Венера постепенно увеличивается с 65 до 150° С

Такие методы пассивного терморегулирования, как исполь­зование нестрого ориентированных на Солнце наклонных панелей или существенное уменьшение коэффициента заполнения солнеч­ных панелей, в указанных случаях нельзя было применить для снижения равновесной рабочей температуры из-за жестких тре­бований к габаритам и общей конструкции аппаратов. В связи с этим было принято решение положить в основу конструкции солнечных батарей «Венеры-9 и -10» кремниевые фотоэлементы, прозрачные в инфракрасной области спектра [203].

Снижение равновесной температуры и улучшение работоспо­собности солнечных батарей при повышенной концентрации сол­нечного излучения в пределах от 2- до 8-кратной возможно при уменьшении отношения ас/е для той части рабочей поверхности фотоэлементов, которая покрыта токосъемными контактами, и поверхности панелей солнечных батарей, не занятой фотоэлемен­тами. Для свободных поверхностей панелей было разработано (вместо белых эмалей, темнеющих при воздействии ультрафиоле­тового излучения Солнца) стабильное селективное покрытие с низким отношением <хс/б (менее 0,2) на основе стеклопленок из радиационно-стойкого стекла с напыленным на тыльную поверх­ность слоем алюминия или серебра [160—162]. Это покрытие было успешно использовано также для защиты от перегрева радиатора — охладителя «Лунохода-1 и -2» [203].

Чтобы получить столь же низкое отношение а,/є в местах фо­тоэлементов, занятых контактами, было решено в конструкции параллельных модулей, в которой одно стекло защищает не­сколько крупных фотоэлементов одновременно, наносить на тыль­ную поверхность стекла в высоком вакууме (перед приклейкой к модулям) сетку из высокоотражающего металла — алюминия или серебра. Создание такой зеркальной мозаики производится напылением в вакууме алюминия или серебра через маски, и кон­фигурация полос сетки повторяет расположение коммутацион­ных контактов и межконтактных промежутков в параллельном модуле. Благодаря отражающей сетке на тыльной стороне стекла места, занимаемые контактами, отражают 84% (в случае алюми­ния) или 92—94% (в случае серебра) солнечного излучения. Ко­эффициент поглощения солнечного излучения для мест, занятых контактами, уменьшается благодаря этому с 0,75 до 0,16 или даже до 0,06—0,08, а коэффициент излучения в полусферу eh сохра­няется высоким, равным 0,86 (благодаря внешнему слою стекла) как для поверхности кремниевого фотоэлемента, так и для по­верхности контактов. Равновесная температура контактов ста­новится низкой, и переток тепла от нагретой полупроводниковой поверхности к охлажденным контактам приводит к уменьшению средней равновесной температуры солнечных батарей. Площадь, занимаемая коммутационными контактами и межконтактными промежутками в параллельном модуле, может варьироваться в широких пределах. В случае работы солнечной батареи при повышенной концентрации (при монтаже ее на стеклосетке или полимерной пленке для улучшения удельных характеристик и повышения термостойкости) изменение площади теплоотражаю­щих контактов является единственным способом для получения расчетной температуры, так как при таком монтаже нет тепло­проводящей основы. Количественно эффект от разработанного способа уменьшения равновесной температуры солнечных бата­рей легко оценить из теплофизических расчетов.

Для солнечных батарей межпланетных автоматических стан­ций (АМС) «Венера-9 и -10» были использованы параллельные модули из кремниевых фотоэлементов, прозрачных в инфракрас­ной области солнечного спектра, и теплоотражающие покрытия из вакуумно-напыленного алюминия на 10—12% площади внут­ренней поверхности защитных стекол параллельного модуля, в качестве которых применялось радиационно-стойкое стекло толщиной 170 и 300 мкм. Преимуществом применения одного общего покровного стекла сразу для нескольких фотоэлементов (модуль включает от четырех до шести фотоэлементов площадью около 5 см2 каждый) является также увеличение надежности ра­диационной защиты.

Расчет показал, что равновесная температура таких солнеч­ных батарей должна быть на 30—35° С ниже на всей трассе Зем­ля — Венера по сравнению с солнечными батареями обычной конструкции.

Таким образом, использование фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, и теплоотражаю­щих покрытий, наносимых на внутреннюю сторону покровных стекол над местами, занятыми контактами, позволяет обеспечить благоприятный температурный режим и повышенную надежность солнечных, батарей AMG «Венера-9 и -10».

Многомесячная эксплуатация в условиях космоса явилась хорошей проверкой активных элементов и покрытий комбини­рованных преобразователей солнечной энергии.

Из результатов исследований, проведенных рядом авторов [204, 205], отчетливо видно, что при равных (в условиях комнат­ной температуры) начальных значениях КПД фотоэлементы из арсенида галлия начинают значительно превосходить по электри­ческой мощности кремниевые фотоэлементы при температуре 130—■ 140° С, ожидаемой по результатам теплофизических расчетов для солнечных батарей «Лунохода». Проведенная разработка высоко­эффективных фотоэлементов из арсенида галлия [205] позволила создать солнечные батареи «Лунохода-1 и -2» сравнительно боль­шой площади (около 3 м2) полностью из этого полупроводниково­го материала и впервые провести опытную проверку и эксплу­атацию солнечных батарей из арсенида галлия не только в усло­виях космического пространства, но и при движении самоходного аппарата по Луне при воздействии пыли, микрометеоритов, зна­чительных температурных перепадов.

Полупроводниковые солнечные батареи из фотоэлементов на основе арсенида галлия у «Лунохода-1 и -2» были размещены на внутренней стороне крышки, которая в закрытом положении ложится на верхнюю часть его корпуса. В рабочем положении панель солнечной батареи может располагаться под различными углами, что позволяет оптимально использовать энергию Солнца при изменении его высоты над лунным горизонтом.

Помимо основной задачи — обеспечения энергопотребления автоматического самоходного аппарата, солнечная батарея «Луно­хода» обеспечивает энергоснабжение всего комплекса аппаратуры автоматической станции на трассе перелета Земля — Луна, а также на орбитах спутника Луны до включения тормозных дви­гателей перед посадкой станции.

Следует отметить, что солнечная батарея «Лунохода-1» (до­ставленного на поверхность Луны 17 ноября 1970 г.) успешно функционировала в течение 10 лунных дней (по 4 октября 1971 г.). При этом деградация рабочего тока солнечной батареи составила около 6%. Солнечные батареи «Лунохода-2» (доставленного на поверхность Луны 16 ноября 1973 г.) на основе фотоэлементов из арсенида галлия успешно проработали весь срок намечен­ной программы (5 лунных дней) практически без ухудшения электрофизических характеристик.

Солнечные батареи АМС «Венера-9 и -10» состояли из двух прямоугольных панелей площадью около 4 м2 на каждой станции. Панели ориентированы на Солнце совместно с АМС.

1 — кремниевые фотоэлементы обычной конструкции! 2,3 — фотоэлементы солнечных ба» тарой АМС «Венера-9 и-10», прозрачные в инфракрасной области солнечного спектра с зер­кальной мозаикой над контактами (г) и без нее (.?)

Плоские модули кремниевых фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра и имеющих зеркаль­ное теплоотражающее покрытие над токосъемными контактами, закреплены на несущей поверхности панелей. Панели обладают низкой теплопроводностью, но так же, как и фотоэлементы, про­зрачны в инфракрасной области солнечного спектра. Коэффициент заполнения панелей модулями солнечных батарей — 0,91.

Солнечные батареи АМС обеспечивали энергоснабжение аппа­ратуры станций как на трассе перелетов к планете Венера, так и на орбите планеты. Кроме того, солнечные батареи АМС осущест­вляли заряд химических батарей спускаемых аппаратов станций в заданное время и на определенном расстоянии от поверхности Венеры.

На рис. 4.12 представлены рабочие температуры фотоэлемен­тов солнечных батарей АМС «Венера-9 и -10» разработанной кон­струкции с селективными оптическими характеристиками, имею­щих зеркальную мозаику над контактами (2) и не имеющих зеркальной мозаики (3). Для сравнения на этом же рисунке представлены изменения рабочей температуры кремниевых фото­элементов обычной конструкции, не обладающих прозрачностью в инфракрасной области солнечного спектра (1). Фотоэлементы

обычной конструкции были установлены рядом с панелями сол­нечных батарей «Венеры-9 и -10» в виде датчиков на выносных рамках-консолях.

Созданные в СССР высокоэффективные солнечные батареи на основе кремния и арсенида галлия обеспечили безотказную работу советских АМС «Венера-9 и -10» и аппаратов «Луноход».

Успешные испытания солнечных батарей нового типа и пх оптических покрытий при длительной эксплуатации в космосе позволяют говорить о возможности их надежного использования в комбинированных преобразователях солнечной энергии, по­скольку параметры, имеющие большое значение для дальнейшего усовершенствования систем солнечной энергетики,— такие, как прозрачность в области за краем основной полосы поглощения, высокий КПД фотоэлементов из арсенида галлия при повышен­ной температуре, стабильность селективных оптических покрытий при длительном воздействии ультрафиолетового излучения Солн­ца, получили полное подтверждение в ходе этих исследований.