ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ АIIIBV

Полный текст

Введение. Наиболее эффективным и проверенным в условиях длительной эксплуатации способом полу- чения электричества из солнечной энергии сегодня является фотоэлектрический метод прямого преобра- зования. Он реализован в полупроводниковых фото- электрических преобразователях (ФЭП), получивших в англоязычной литературе название solar cell (SC), т. е. солнечный элемент (СЭ). Из ФЭП формируется фотогенерирующая часть (ФГЧ) солнечных батарей (СБ). Уже почти шесть десятилетий, начиная с первых спутников Земли (третий советский искусственный спутник, запущенный 15 мая 1958 г., и американский спутник «Авангард», запущенный 17 марта 1958 г.), СБ являются основным первичным источником элек- троэнергии для большинства отечественных и зару- бежных космических аппаратов (КА) [1; 2]. Идея использования фактически неисчерпаемого источника энергии - солнечного излучения, всегда была заманчивой. Однако только к середине XX сто- летия развитие науки и технологий, обеспеченное в нашей стране работами коллективов под руково- дством А. Ф. Иоффе (ЛФТИ, г. Ленинград), Н. С. Ли- доренко (Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (ВНИИТ), г. Москва), С. И. Вавилова (ФИАН, г. Москва), привело к воз- можности ее эффективной практической реализации. Интенсификация работ в этом направлении была свя- зана с поиском оптимального источника питания для КА. Именно в космосе, где, с одной стороны, нет эк- ранирующего солнечный свет слоя атмосферы, а с другой - использование прочих привычных генерато- ров электричества крайне затруднено или невозмож- но, применение СБ в комплексе с химическими нако- пителями оказалось оптимальным решением. Опыт разработки и эксплуатации КА выявил це- лый ряд опасных факторов космического пространст- ва. Поскольку ФЭП в составе ФГЧ СБ - одни из не- многих приборов на борту космических аппаратов, практически напрямую контактирующих с открытым космосом и непосредственно подверженных воздей- ствию всех факторов космического пространства, то помимо увеличения энергетических и удельных характеристик ФЭП стала крайне актуальной задача по модифицированию их структуры, созданию защи- ты и разработке более стойких ФЭП. Обширные ис- следования по улучшению свойств ФЭП и СБ приве- ли, во-первых, к появлению защитных покрытий (сте- кол) на поверхности кремниевых ФЭП и, во-вторых, к применению новых материалов полупроводниковой структуры ФЭП - материалов AIIIBV (арсенид галлия (GaAs) и твердые растворы на его основе: арсенид- алюминия-галлия (AlGaAs), арсенид индия - галлия (InGaAs) и др.). Так, почти повсеместный переход от использования в СБ для космоса кремниевых ФЭП к современным каскадным ФЭП на основе материалов AIIIBV привел к значительному увеличению срока службы СБ (с 10 до 15 лет и более) на орбитах с вы- соким радиационном воздействием [3]. В ретроспек- тиве изменения эффективности ФЭП космического назначения, связанные с изменениями технологии, конструкции и материалов, представлены на рис. 1. Первые в мире GaAs СБ площадью около 1 м2 бы- ли разработаны и изготовлены во ВНИИТ (одно из прежних наименований АО «НПП «Квант») из одно- каскадных ФЭП и использовались на автоматической межпланетной станции «Венера-4», запущенной 12 июня 1967 г. Однокаскадные GaAs ФЭП, изготов- ленные по диффузионной технологии, были совмест- ной разработкой ФТИ им. А. Ф. Иоффе и ВНИИТ. Применение именно GaAs ФЭП в СБ станции «Вене- ра-4» было обусловлено необходимостью работы при высоких температурах (~ 120 ˚С) для заряда блока химических батарей спускаемого аппарата непосред- ственно перед началом его спуска на поверхность планеты, тогда как кремниевые ФЭП при таких тем- пературах работать не могут. Эта же причина побуди- ла использовать GaAs ФЭП в составе СБ первых автоматических передвижных лабораторий «Луноход-1» и «Луноход-2» (запуск - 10 ноября 1970 г. и 8 января 1973 г.). Площадь СБ на крышке аппарата - 3,5 м2, а средняя вырабатываемая мощность, составлявшая 180 Вт, шла на подзарядку серебряно-кадмиевых ак- кумуляторных батарей ёмкостью 200 А·ч [2; 4]. Дальнейшее развитие ФЭП было связано с совер- шенствованием технологии получения полупровод- никовых материалов, синтеза широкого класса новых материалов высокой степени чистоты, получения ка- чественных гетеропереходов на основе соединений AIIIBV, глубокого изучения физических процессов в полупроводниках. Эти работы позволили создать методом жидкофазной эпитаксии гетероструктурные однокаскадные AlGaAs (широкозонное окно) / GaAs (фотоактивная область) ФЭП. В таких ФЭП удалось сформировать бездефектную гетерограницу и обеспе- чить идеальные условия для фотогенерации элек- тронно-дырочных пар и их собирания p-n-переходом. Эти ФЭП обладают более высокой радиационной стойкостью, благодаря чему они успешно эксплуати- ровались в составе СБ на орбитальной станции «Мир» [2; 5], где СБ была подвержена помимо основных факторов космического пространства еще и длитель- ному воздействию собственной атмосферы станции и воздействию двигателей стыкующихся кораблей. Суммарная средняя деградация характеристик Al- GaAs / GaAs СБ составила не более 3,5 % в год [2; 4]. Дальнейшее развитие технологий привело к появ- лению гетероструктурных ФЭП. Такие ФЭП сохрани- ли высокие характеристики однокаскадных структур на основе арсенида галлия (температурный режим работы, радиационная стойкость). Сначала это были арсенид-галлиевые элементы на инородной, но более тонкой и прочной германиевой подложке. Технология их изготовления существенно отличалась от жидко- фазной эпитаксии, а именно, эпитаксиальный рост проводился в газофазном реакторе. Газофазные тех- нологии дали новый импульс к развитию тонкослой- ных прецизионно легированных многослойных гете- роструктур. Результатом реализации такого техноло- гического решения стало создание двух и впоследст- вии трехкаскадных ФЭП, наиболее полно и эффек- тивно преобразующих солнечный спектр. Как видно из рис. 1, эффективность трехкаскадных ФЭП возросла в два раза по сравнению с однокаскадными ФЭП и имеет перспективы по дальнейшему росту. В настоящее время трехкаскадные ФЭП имеют сложившуюся принципиальную конструкцию, изо- бражение которой приведено на рис. 2. Конструкция современного ФЭП включает полупроводниковую структуру InGaP / InGaAs / Ge [6], сплошную тыль- ную и гребенчатую лицевую контактную структуру, просветляющее (антиотражающее) защитное покры- тие. Полупроводниковая структура современных ФЭП на основе соединений AIIIBV. Принципиально структура современных ФЭП на основе соединений AIIIBV состоит из трех каскадов InGaP / InGaAs / Ge, скоммутированных между собой туннельными диодами. Полупроводниковая структура InGaP и InGaAs каскадов создается эпитаксиальным способом на Ge-подложке, в Ge в процессе эпитаксиального роста диффузионно формируется нижний каскад. В процессе роста буферного слоя происходит вывод параметров на контролируемый рост. База и эмиттер в каждом из каскадов являются ак- тивными слоями структуры и образуют p-n-переход. Названия генерирующих слоев ФЭП - база (слой p-типа проводимости) и эмиттер (n-тип) - пришли и закрепились из иностранной литературы по аналогии со слоями в полупроводниковых транзисторах, однако они не в полной мере отражают суть происходящих в слоях ФЭП физических процессов. В этих слоях происходит генерация и собирание носителей заряда. Рис. 1. Развитие элементной базы СБ космической фотоэнергетики (по данным АО «НПП «Квант») Fig. 1. Development of the elemental base of solar cells for space photovoltaics (according to the data of JSC “RPE “Kvant”) Рис. 2. Схематическое изображение трёхкаскадного гетероструктурного InGaP / InGaAs / Ge ФЭП [7] Fig. 2. Schematic representation of the triple InGaP / InGaAs / Ge solar cell [7] Широкозонное окно в верхнем и среднем каскаде препятствует поверхностной рекомбинации носите- лей заряда за счет создания потенциального барьера. Защитный высоколегированный слой используется для создания омического контакта, а также защищает слой широкозонного окна от проникновения кислорода. Применяемые для коммутации каскадов (p-n-переходов) туннельные диоды представляют со- бой обратно включенные к основной генерирующей структуре p-n-переходы, сформированные слоями с высоким уровнем легирования, соответствующим состоянию вырождения полупроводника. Буферные слои толщиной около 2 мкм - это переходные слои, задерживающие примеси. Полупроводниковая структура, несмотря на мно- гообразие материалов, присутствующих в ней, пред- ставляет собой единый с Ge-подложкой монокри- сталл. Такой эффект достигается за счет прецизион- ного соответствия параметров решетки материалов трехкаскадного ФЭП, задаваемых и контролируемых в процессе эпитаксиального роста с использованием металлорганических и гидридных соединений (МОС ГФЭ). Другими словами, для получения такого сложного полупроводникового эпитаксиального моно- кристалла соотношение компонентов в трехкомпо- нентных соединениях должно быть таково: In0,49Ga0,51P, In0,01Ga0,99As. При этом с точностью до 0,01 % [7] дос- тигается совпадение параметров решетки осаждаемых слоев с параметром решетки монокристаллической Ge-подложки (аGe = 5,658 Å [8]), как показано на рис. 3. В то же время, за счет различных значений ширины запрещенной зоны (∆Eg) материалов каскадов: у In0,49Ga0,51P ∆Eg = 1,9 эВ [9], у In0,01Ga0,99As ∆Eg = 1,41 эВ [8; 9], у Ge ∆Eg = 0,66 эВ [8; 9] (см. рис. 3), трехкаскадные ФЭП способны преобразовы- вать излучение в достаточно большом интервале длин волн [3]. Так In0,49Ga0,51P поглощает фотоны в диапа- зоне длин волн от 0 до 670 нм, In0,01Ga0,99As - в диапа- зоне длин волн от 670 до 900 нм и Ge - все фотоны от 900 до 1900 нм [9]. Эффективность преобразования солнечного излучения промышленно выпускаемых образцов таких ФЭП сейчас находится в пределах 26-30 %. Создание такой сложной полупроводниковой структуры в промышленном производстве реализова- но методом МОСГФЭ. В основе данного метода ле- жат процессы переноса осаждаемых материалов в виде летучих соединений к поверхности подложки, на которой происходит разложение этих соединений с выделением необходимо продукта. МОСГФЭ-метод позволяет получать тонкие гомо- и гетерослои с за- данным стехиометрическим составом и уровнем ле- гирования. В сравнении с другими методами эпитак- сии - жидкофазной и молекулярно-лучевой, метод МОСГФЭ отличается высокой производительностью (скорость роста до 2000 Å/мин) в совокупности с достаточной точностью (по составу основных мате- риалов, толщинам, распределению легирующих при- месей в слоях). Современная реализация метода МОСГФЭ с применением металлорганических и гид- ридных источников элементов третьей (Ga, Al, In) и пятой (As, P) групп периодической системы химических элементов позволяет использовать преимуще- ства этого метода в совокупности с возможностью проведения роста всей полупроводниковой структуры за один непрерывный процесс при сравнительно низ- кой температуре (650 ºС). Рис. 3. Ширина запрещенной зоны в зависимости от параметра решетки Si, Ge, соединений AIIIBV и их твердых растворов [4] Fig. 3. Width of band gap, depending on the lattice parameter of Si, Ge, compounds of AIIIBV and their solid solutions [4] Следует отметить, что фактически все основные свойства прибора закладываются на, пожалуй, самой сложной, многофакторной стадии его создания - ста- дии роста полупроводниковой структуры [10]. После- дующие операции (создание контактной структуры, просветляющего покрытия, создание габаритных раз- меров, маркировка, измерение выходных электриче- ских характеристик и т. д.) не должны снизить эти заложенные структурой свойства, что в целом требует достаточно сложной технологии и несколько замедля- ет промышленную реализацию и последующее разви- тие новых конструкций. Влияние космической радиации на свойства каскадных ФЭП на основе соединений АIIIBV. Каскадные InGaP / InGaAs / Ge ФЭП в силу физиче- ских свойств являются более стойкими к деградации параметров под воздействием космической радиации по сравнению с Si ФЭП. Однако конструкция InGaP / InGaAs / Ge ФЭП не является оптимальной с точки зрения спектрального распределения фотонов. Данное несоответствие обусловлено требованием строгого согласования по параметру решетки осаж- даемых полупроводниковых материалов в процессе эпитаксиального роста (см. рис. 3). Действительно, как можно увидеть на рис. 4, на средний InGaAs-каскад приходится минимальный рабочий диапазон длин волн, это приводит к тому, что InGaAs-каскад генери- рует наименьшую плотность тока - 16,58 мА/см2 [9] в спектре АМ0 по сравнению с 22,43 мА/см 2 и 37,08 мА/см2 [9], генерируемыми InGaP- и Ge-пере- ходами. Это обстоятельство является критичным в силу последовательного соединения каскадов в структуре трехкаскадного ФЭП (см. рис. 2), из-за чего ток всего ФЭП ограничен минимальным током, генерируемым средним InGaAs-каскадом. Рис. 4. Пояснение механизма образования характеристик «плотность тока - напряжение» в InGaP / InGaAs / Ge ФЭП Fig. 4. Interpretation of mechanism of formation of characteristics of current density-voltage in InGaP / InGaAs / Ge solar cell При эксплуатации СБ в космосе ФЭП, установ- ленные в ее генерирующей части, подвергаются воз- действию практически всех факторов космического пространства: радиации, потоков заряженных частиц высокой энергии, твердых частиц естественного и искусственного происхождения, плазмы, электро- магнитного излучения Солнца, резких температурных перепадов, а также продуктов работы реактивных двигателей разных типов. Все это может приводить в результате различных деградационных процессов к существенному ухудшению характеристик ФЭП и СБ в целом. Наиболее значимым из перечисленных факторов, определяющих длительность работы СБ в космосе, является радиация. Воздействие радиационного облу- чения оказывает влияние на физические параметры ФЭП, определяющие эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Так, воздействие радиации приводит к образованию в запрещенной зоне полупроводникового материала ФЭП локальных уровней, обусловленных введенными в результате облучения дефектами, что приводит к снижению вре- мени жизни носителей заряда. Как правило, данный параметр изменяется в несколько раз при таких дозах облучения, для которых изменение других характери- стик оказывается пренебрежимо малым [11]. Для каскадных ФЭП возникает дополнительная проблема - различная скорость радиационной дегра- дации фототока в каскадах, что еще более ухудшает согласование токов каскадов и отрицательно сказыва- ется на выходных характеристиках трехкаскадных InGaP / InGaAs / Ge ФЭП (рис. 5). В работе [12] проведено моделирование радиаци- онного повреждения трехкаскадного ФЭП при воз- действии на него электронами с энергией 1 МэВ, так как электроны высоких энергий являются основным повреждающим фактором на геосинхронных орбитах. Авторами работы показано, что вследствие такого воздействия происходит уменьшение диффузионных длин неосновных носителей заряда и снижение фототока и напряжения холостого хода. Проведенный расчет для диапазона доз облучения от нуля до 3·1015 см-2 (табл. 1) показал, что наибольшей деградации подвержен InGaAs-каскад, особенно его p-область: снижение диффузионной длины неосновных носителей заряда оказалось наиболее существенным - с 7 мкм до облучения до 1,31 мкм после облучения. База р-InGaAs трехкаскадного ФЭП является са- мым толстым генерирующим эпитаксиальным слоем всего прибора, это обусловлено особенностями соби- рания сгенерированных носителей заряда в слое. Так, до облучения при толщине p-InGaAs базы в 4 мкм достигается близкое к 100 % собирание носителей заряда, однако в дальнейшем из-за облучения диффу- зионная длина неосновных носителей заряда снижа- ется вследствие их рекомбинации на радиационных дефектах, соответственно, снижается и фототок (рис. 5). При этом обнаружено, что максимум фотото- ка достигается при меньшей толщине базы InGaAs-каскада, но снижение толщины InGaAs базо- вой области увеличивает количество непоглощенных длинноволновых фотонов [12]. Увеличение доли поглощенных длинноволновых фотонов в тонкой базе может быть достигнуто путем применения в структуре ФЭП распределенного брэг- говского отражателя (РБО) [12-14], представляющего собой структуру с периодически изменяющимся в пространстве показателем преломления и позво- ляющего за счет этого создавать разрешенные и за- прещенные энергетические зоны для фотонов [15]. Основное предназначение РБО в структуре InGaP / InGaAs / Ge ФЭП - возврат части длинновол- нового излучения в фотоактивные слои, в частности, в p-InGaAs слой. Таблица 1 Расчетные значения диффузионных длин неосновных носителей заряда в фотоактивных слоях ФЭП на основе InGaP / InGaAs / Ge [12] Слой Диффузионная длина неосновных носителей заряда, мкм До облучения После облучения 15 -2 15 -2 Доза облучения 10 , см Доза облучения 3·10 , см n-InGaP - 0,05 - p-InGaP 2,0 1,76 1,46 n-InGaAs 0,3 0,28 0,25 p-InGaAs 7,0 2,21 1,31 n-Ge - 0,50 - p-Ge 50,0 49,10 47,40 Рис. 5. Относительная доля фототока, генерируемого в InGaAs-каскаде трехкаскадного InGaP / InGaAs / Ge ФЭП без РБО до облучения (1) и после облучения электронами с энергией 1 МэВ дозой 1015 см-2 (2) и дозой 3·1015 см-2 (3) [15] Fig. 5. Relative fraction of the photocurrent generated in the InGaAs junction of a triple junction InGaP / InGaAs / Ge solar cell without Bragg reflector before irradiation (1) and after irradiation with electrons of 1 MeV in a dose of 1015 см-2 (2) and a dose of 3·1015 см-2 (3) [15] На сегодняшний день ведущие мировые произво- дители ФЭП космического назначения разработали и выпускают модификации трехкаскадных InGaP / In- GaAs / Ge ФЭП с повышенной радиационной стойко- стью. Есть основания полагать, что повышение ра- диационной стойкости достигнуто благодаря встраи- ванию РБО в полупроводниковую структуру ФЭП. Контактная структура ФЭП. Контактная струк- тура ФЭП состоит из токосъемных полосок контакт- ной сетки, главного контакта и токосъемных площа- док. Материалами для контактной сетки могут быть лишь металлы, обладающие хорошей адгезией и имеющие низкое сопротивление при протекании тока (высокую электропроводность), такие как Ag, Au, Ni, Ti, Pd, однако невозможно найти металл, об- ладающий одновременно этими двумя свойствами, поэтому применяется многослойная система контак- тов. Контактные площадки при этом должны быть приспособлены к последующей коммутации ФЭП при сборке СБ. Геометрические размеры контактной сетки рассчитываются применительно к конкретной конст- рукции ФЭП (ширина полоски собирающей гребенки 3-10 мкм), они должны обеспечивать минимально возможное затенение фотоактивной площади (для преобразования слабоконцентрированного излучения потери на затенение должны составлять не более 5 %, а для сильноконцентрированного - от 5 до 15 % [16]) и минимально возможное сопротивление при прохо- ждении по этим контактным полоскам тока, собран- ного с генерирующей полупроводниковой структуры ФЭП [17]. Важным является наличие высоколегиро- ванного n+-слоя в конструкции ФЭП для получения минимального переходного сопротивления «металл- полупроводник». Толщина контактов определяется проводимостью контакта металл-полупроводник и площадью соприкосновения. Для создания контакт- ной структуры с рисунком гребенчатой контактной сетки на фотоактивной стороне и с толщинным профилем 4-8 мкм применяется «взрывная» фотолито- графия с последующим нанесением металлического покрытия методом термовакуумного распыления ме- таллов. Просветляющее (антиотражающее) покрытие ФЭП. Просветляющее (антиотражающее) покрытие (АОП) ФЭП служит для минимизации отражения от поверхности, что позволяет обеспечить более высо- кий фототок, а следовательно, повысить эффектив- ность прибора. Вообще, первое просветляющее по- крытие было разработано Фраунгофером в 1817 г. Однако долгие годы данная технология оставалась в тени [18]. Первый солнечный элемент, представлен- ный в 1954 г., был без АОП. Начиная с 1964 г., для кремниевых ФЭП отечественного производства нача- ли применять АОП на основе ZnS. В настоящее время для ФЭП применяются одно-, двух- и трехслойные покрытия: чем больше количест- во слоев, тем на более широком диапазоне спектра можно минимизировать отражение. Однако увеличе- ние количества слоев влечет за собой значительное усложнение технологии. Материалы для АОП подби- рают с учетом их физических свойств, таких как пока- затель преломления, адгезия и химическая стойкость. Таким образом, в зависимости от спектрального диа- пазона, в котором ФЭП имеет максимальную чувст- вительность, подбирают необходимое количество слоев АОП и его материалы. Основными материалами для АОП являются ZnS, TiO2 и CeO2 - в качестве материалов с высоким пока- зателем преломления и MgF2, Al2O3 и SiO2 - с низким показателем [19]. Согласно последним данным, для трёхкаскадных ФЭП на основе арсенида галлия ис- пользуются двухслойные АОП из оксидов титана TiO2 / TiOx и алюминия Al2O3 [20], а также оксидов тантала Ta2O5 и кремния SiO2 / SiOх [21], формируе- мые методом электронно-лучевого испарения в ва- кууме. Толщины слоев составляют примерно 40-70 нм. Обзор промышленно выпускаемых трехкас- кадных фотоэлектрических преобразователей космического назначения на основе соединений АIIIBV. Промышленное (серийное) производство трехкаскадных ФЭП на основе соединений InGaP / InGaAs / Ge, применяемых в фотогенериующей части СБ большинства современных КА, на текущий мо- мент времени осуществляется следующими зарубеж- ными компаниями: SolAero Technologies Corp (США), Spectrolab Inc (США), AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия), CESI SpA (Италия). В России производство трехкаскадных ФЭП было освоено сравнительно недавно в двух компаниях: АО «НПП «Квант», г. Москва, и ПАО «Сатурн», г. Краснодар, история создания которых связана с ВНИИТ и Научно-производственным объединением «Квант». Продукция каждого из указанных производителей обладает рядом характерных особенностей техниче- ского характера, что, однако, не несет существенного различия в конструкции полупроводниковой фотоге- нерирующей части. Основные электрические характеристики для раз- личных типов ФЭП каждого из выше представленных производителей сведены в табл. 2, это: Iкз - ток корот- кого замыкания, мА/см2; I(Pм)0 - ток в точке макси- мальной мощности, мА/см2; Iнагр - ток в точке опти- мальной нагрузки, мА/см2; Uxx - напряжение холосто- го хода, В; U(Pм)0 - напряжение в точке максималь- ной мощности, В; Uнагр - напряжение в точке опти- мальной нагрузки, В; FF - фактор заполнения, %; КПД - коэффициент полезного действия, или эффек- тивность преобразования космического солнечного спектра АМ0; КПДнагр - коэффициент полезного дей- ствия при АМ0 в точке оптимальной нагрузки. Рассмотрим ФЭП наиболее распространенного ти- поразмера площадью ~ 30 см2 (рис. 6). Мультикаскад- ные ФЭП, производимые американской компанией Spectrolab Inc., входящей в американский концерн Boeing, являющийся одним из крупнейших мировых производителей авиационной, космической и военной техники, представлены следующими типами: Improved Triple Junction Solar Cells (ITJ) - площадь до 31 см2, КПД - 26,8 %, со встроенным Si-диодом, внешний вид изображен на рис. 6, а [22]; Ultra Triple Junction Solar Cells (UTJ) и NeXt Triple Junction Solar Cells (XTJ), площадью 26,62 см2, аналогичные по внешнему виду, показаны на рис. 6, б [22], отли- чающиеся только значением эффективности: UTJ - 28,3 %, XTJ - 29,5 %. Американская компания SolAero Technologies Corp выпускает трехкаскадные ФЭП различных мо- дификаций, оптимизированных для различных усло- вий эксплуатации или в различных коммутационных схемах СБ. В частности, разработаны ФЭП для низ- ких орбит (ZTJ-Ω) с КПД 30,2 %, ФЭП с повышенной радиационной стойкостью (ZTJ+) с КПД 29,4 % и др. Все типы ФЭП конструктивно представляют собой InGaP / InGaAs / Ge полупроводниковую конструк- цию площадью 26-30 см2 и внешне не имеют замет- ных различий, приводятся на рис. 6, в [23]. Также компания SolAero Technologies Corp предлагает ФЭП со встроенным диодом (ZTJM), КПД 29,0 %, внешний вид которого изображен на рис. 6, г [23]. У немецкой компании Azur Space Solar Power GmbH, также занимающейся серийным изготовлени- ем трехкаскадных ФЭП, ассортимент продукции представлен несколькими типами ФЭП площадью 30,18 см2. Внешний вид ФЭП с КПД 28 % (3G28C) со встроенным диодом приведен на рис. 6, д [24]; с КПД 30 % (3G30С) со встроенным диодом - на рис. 6, е [24]. ФЭП 3G30С без диода с толщинами 150 и 80 мкм имеют похожий внешний вид, изображен- ный на рис. 6, ж [24]. Другой европейский производитель - итальянская компания CESI SpA - производит ФЭП типа CTJ30 площадью 26-30 см2 с КПД 29,5 %. Внешний вид ФЭП приведен на рис. 6, з [25]. Одним из российских производителей ФЭП явля- ется ПАО «Сатурн», предоставляющее различные конструктивно технологические модификации ФЭП со встроенным диодом со средним значением КПД 28 %. Внешний вид ФЭП производства ПАО «Са- турн» изображен на рис. 6, и [26]. Другим российским производителем трехкаскад- ных InGaP / InGaAs / Ge ФЭП без встроенного диод- ного модуля является АО «НПП «Квант». Внешний вид ФЭП, произведенных в АО «НПП «Квант», пред- ставлен на рис. 6, к. КПД серийно выпускаемых об- разцов трехкаскадных ФЭП по данным 2017 г. в сред- нем составляет 28,4 %. Кроме того, в АО «НПП «Квант» проведены работы по разработке опытной технологии изготовления трехкаскадных ФЭП с улучшенными энергомассовыми характеристиками. Получены экспериментальные образцы со следую- щими характеристиками: масса ФЭП ~ 1,65-1,7 г, толщина ~ 100 мкм, Jкз ~ 17,5 мА/см2, Uхх ~ 2,6 В, КПД ~ 27,5 % [6]. Применение таких ФЭП дает выиг- рыш в удельных энергомассовых характеристиках, имеющих особенное значение для энергетических систем КА. Однако для обеспечения необходимых механических характеристик при использовании уто- ненных ФЭП в составе БС требуется применение об- легченных жестких каркасов типа сотовых панелей. В настоящее время производится проработка но- вого конструкционного решения в части увеличения полезной площади ФГЧ, а именно, в части создания ФЭП с увеличенными габаритными параметрами для использования таких ФЭП в СБ перспективных КА. Использование ФЭП с увеличенной площадью ФГЧ (общая площадь ФЭП > 50 см2) в сравнении с ФЭП стандартного размера (~ 30 см2) позволит увеличить долю полезной (рабочей, генерирующей) площади СБ (рис. 7). Применение подобных ФЭП будет способст- вовать уменьшению массы СБ за счет снижения удельной массы коммутационной части, а также уве- личению скорости и снижению стоимости сборки за счет сокращения количества сборочных операций. Однако при вариации габаритных размеров ФЭП сле- дует учитывать фактор заполнения ФГЧ СБ. Внешний вид ФЭП модификации XTJ с КПД 29,5 % и внешне аналогичный UTJ с КПД 28,3 %, оба площадью 59,65 см2, изготовленные в Spectrolab Inc., показаны на рис. 7, а [22]. Также компания SolAero Technologies Corp предлагает потребителям ФЭП с увеличен- ной площадью модификации ZTJ, изображенный на рис. 7, б [23]. Дополнительно этим производителем предлагаются ФЭП площадью ~ 60-65 см2 типов ZTJ+ и ZTJ-Ω. Компания Azur Space Solar Power GmbH производит ФЭП площадью 60,36 см2 типа 3G30С, внешний вид которого приведен на рис. 7, в [24]. В настоящее время в АО «НПП «Квант» ведутся рабо- ты в направлении разработки ФЭП с площадью > 50 см2. Также иностранные производители предлагают ФЭП с увеличенной площадью ФГЧ, изготовленные на подложках большего диаметра (стандартный диаметр Ge-подложек, применяемых при эпитакси- альном росте трехкаскадных ФЭП на основе соедине- ний АIIIВV, равен 100 мм) (рис. 8). Внешний вид образца XTJ Prime компании Spectrolab Inc. площа- дью ~ 70-80 см2, толщиной 80-225 мкм, с КПД 30,7 % представлен на рис. 8, a [22]. а б в г д е ж з и к Рис. 6. ФЭП различных производителей типоразмера ~ 30 см2: а, б - Spectrolab Inc.; в, г - SolAero Technologies Corp; д-ж - Azur Space Solar Power GmbH; з - Cesi SpA; и - ПАО «Сатурн»; к - АО «НПП «Квант» Fig. 6. Solar cell different manufacturers area ~ 30 cm2: a, b - Spectrolab Inc.; c, d - SolAero Technologies Corp; e-g - Azur Space Solar Power GmbH; h - Cesi SpA; i - PJSC ”Saturn”; j - JSC “RPE “Kvant” а б в Рис. 7. ФЭП различных производителей с увеличенной площадью ФГЧ ~ 50 см2: а - Spectrolab Inc.; б - SolAero Technologies Corp; в - Azur Space Solar Power GmbH Fig. 7. Solar cell different manufacturers with increased area ~ 50 cm2: a - Spectrolab Inc.; b - SolAero Technologies Corp; с - Azur Space Solar Power GmbH 316 Сибирский журнал науки и технологий. Том 19, № 2 Таблица 2 Основные характеристики различных типов трехкаскадных ФЭП на основе соединений InGaP / InGaAs / Ge Наименование Основные электрические параметры Радиационная деградация Доп. информация Iкз, мА/см2 I(Pм)0, мА/см2 Iнагр, мА/см2 Uxx, В U(Pм)0, В Uнагр, В FF КПДнагр, % КПД, % 1·1014 5·1014 1·1015 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 Spectrolab Inc, (США) [22] ITJ Solar Cells 1 16,90 16,00 16,10 2,57 2,27 2,23 0,84 26,5 26,8 1,00 0,94 0,94 0,98 0,90 0,88 0,96 0,88 0,84 AM0 (135,3 mW/cm²) 28 °C, Fluence 1MeV Elec- trons/cm2 UTJ Solar Cells (<32 cm2) 1 17,05 16,30 16,40 2,66 2,35 2,31 0,85 28,0 28,3 0,99 0,94 0,93 0,98 0,91 0,89 0,96 0,89 0,86 UTJ Solar Cells (>50 cm2) 2 17,05 16,30 16,40 2,66 2,30 2,27 0,83 27,5 27,6 0,99 0,94 0,93 0,98 0,91 0,89 0,96 0,89 0,86 XTJ Solar Cells 1, 2 17,76 17,02 17,14 2,63 2,35 2,31 0,85 29,3 29,5 1,00 0,94 0,95 0,99 0,91 0,90 0,95 0,89 0,85 XTJ Prime 3 18,10 17,40 - 2,72 2,39 - - - 30,7 - - - 0,99 0,89 - 0,97 0,87 - SolAero Technologies, Corp,(США) [23] ATJM (ATJ) Space Solar Cell 1 17,10 16,20 - 2,60 2,30 - - - 27,5 1,00 0,96 0,96 0,96 0,92 0,89 0,94 0,90 0,85 AMO (135,3 mW/cm2) 28 °C Radiation Performance at 1 MeV Electron Irra- diation BTJ Space Solar Cell 1 17,10 16,30 - 2,70 2,37 - - - 28,5 1,00 0,97 0,97 0,96 0,92 0,89 0,94 0,90 0,85 ZTJ+Space Solar Cell 1, 2, 3 17,11 16,65 - 2,69 2,39 - - - 29,4 - - - 0,99 0,92 0,91 0,97 0,90 0,87 ZTJ Space Solar Cell 1, 2, 3 17,40 16,50 - 2,73 2,41 - - - 29,5 0,99 0,97 0,96 0,96 0,93 0,90 0,94 0,91 0,85 ZTJM Space Solar Cell 1 17,10 16,50 - 2,72 2,38 - - - 29,0 0,99 0,97 0,96 0,96 0,93 0,90 0,94 0,91 0,85 ZTJ-Ω Space Solar Cell 1, 2, 3 17,41 16,80 - 2,73 2,43 - - - 30,2 - - - - - - - - - Azur Space Solar Power Gmbh (Германия) [24] TJ Solar Cell 3G30C - Advanced Grid system with 2 contact pads 1 17,24 16,71 16,73 2,70 2,41 2,35 - - 29,5 - - - 0,99 0,95 0,94 0,96 0,93 0,90 AMO (1367 W/m2) 28 °C Fluence 1MeV Electrons/cm2 TJ Solar Cell 3G30C - Advanced (large area 120 mm × 60 mm) 3 17,25 16,68 16,75 2,70 2,41 2,35 - - 29,4 - - - 0,99 0,95 0,94 0,97 0,93 0,90 TJ Solar Cell 3G30C - Advanced (large area 80 mm × 80 mm) 2 17,25 16,68 16,73 2,70 2,41 2,35 - - 29,4 - - - 0,99 0,95 0,94 0,97 0,93 0,90 317 Авиационная и ракетно-космическая техника Окончание табл. 2 Наименование Основные электрические параметры Радиационная деградация Доп. информация Iкз, мА/см2 I(Pм)0, мА/см2 Iнагр, мА/см2 Uxx, В U(Pм)0, В Uнагр, В FF КПДнагр, % КПД, % 1·1014 5·1014 1·1015 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 I(Pм)/ I(Pм)0 U(Pм)/ U(Pм)0 Pм/ Pм0 TJ Solar Cell 3G30C - Advanced Grid system with 3 contact pads 1 17,24 16,71 16,73 2,70 2,41 2,35 - - 29,8 - - - 0,99 0,93 0,94 0,96 0,93 0,90 TJ Solar Cell 3G28C 1 16,77 16,14 16,07 2,67 2,37 2,30 - - 28,0 - - - 0,97 0,94 0,91 0,94 0,93 0,87 Cesi SpA (Италия) [25] CTJ30 (area 26,5 cm2) 1 17,85 17,17 - 2,60 2,32 - - - 29,5 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,91 0,91 0,93 0,84 AM0 30 °C CTJ30 (area 30,15 cm2) 1 17,84 17,15 - 2,61 2,33 - - - 29,5 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,91 0,91 0,93 0,84 AM0 30 °C ПАО «Сатурн» (Российская Федерация) [26] ФЭП 1 16,80 16,10 - 2,67 2,37 - - - 28,0 - - - 0,95 0,94 0,92 0,94 0,93 0,88 АМ0 (1360 Вт/м2) 28 °С АО «НПП «Квант» (Российская Федерация) ФЭП (по данным 2017 г.) 1 17,36 16,45 17,03 2,70 2,35 1,90 0,83 - 28,4 - - - - - - - - - АМ0 (1366 Вт/м2) 25 °С Примечания: 1 - ФЭП наиболее распространенного типоразмера площадью ~ 30 см2; 2 - ФЭП с увеличенными габаритными параметрами площадью ~ 50-60 см2; 3 - ФЭП с увеличенными габаритными параметрами на подложках большего диаметра ~ 70-80 см2. SolAero Corp Technologies предлагает ФЭП типа ZTJ, показанный на рис. 8, б [23]. Также SolAero Corp Technologies предлагает ФЭП увеличенной площади (~ 70-80 см2), изготовленные на подложках диамет- ром более 100 мм с полупроводниковыми эпитакси- альными структурами типов ZTJ+ и ZTJ-Ω. Компания Azur Space Solar Power GmbH выпуска- ет ФЭП площадью 68,76 см2 толщиной 230 мкм из эпитаксиальных структур типа 3G30С. Внешний вид такого ФЭП показан на рис. 8, в [24]. Фотоэлектрические преобразователи на основе соединений АIIIBV для преобразования концен- трированного излучения. Несмотря на свою высо- кую стоимость, каскадные ФЭП нашли применение в наземных условиях в установках преобразования кон- центрированного солнечного излучения благодаря эффекту кратного увеличения тока генерации с рос- том плотности излучения, что позволяет использовать ФЭП значительно меньшего размера [16]. Применение ФЭП для концентрированного излу- чения (КФЭП) представляется возможным для энер- гопитания КА в дальнем космосе, где ослаблено сол- нечное излучение, а также для мощных энергетиче- ских установок планетарных станций, при решении целого ряда инженерных задач, таких как разработка и создание конструкций для точного ориентирования оптической системы, а также конструкций для опти- ческой системы и системы теплообмена. Серийным выпуском КФЭП занимаются SolAero Technologies Corp (США), Spectrolab Inc (США), AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия), CESI SpA (Италия). Основные электрические параметры раз- личных типов InGaP / InGaAs / Ge КФЭП, выпускае- мых указанными изготовителями, приведены в табл. 3. На рис. 9 проиллюстрирован внешний вид трех- каскадных InGaP / InGaAs / Ge КФЭП, перечисленных в табл. 3. В АО «НПП «Квант» направление изготовления КФЭП на основе соединений AIIIBV находится в ста- дии разработки. Создана опытная технология изго- товления КФЭП и получены экспериментальные об- разцы с габаритными параметрами 0,65 × 0,57 см и 0,99 × 1,07 см. Эффективность преобразования сол- нечного излучения при концентрациях 50 солнц со- ставляет 33-37 % (0 °С, AM0), а в температурном диапазоне от -190 °С до -50 °С достигает 38 %. Несколько особняком находится направление по разработке приборов для преобразования монохрома- тического (лазерного) излучения. В работах [27; 28] рассматриваются перспективы использования таких преобразователей для беспроводной передачи энер- гии, в том числе и в космическом пространстве. а б в Рис 8. ФЭП различных производителей с увеличенными габаритными размерами на подложках большего диаметра: а - Spectrolab Inc.; б - SolAero Technologies Corp; в - Azur Space Solar Power GmbH Fig. 8. Solar cell different manufacturers with increased area fabricated on substrates of larger diameter: a - Spectrolab Inc.; b - SolAero Technologies Corp; с - Azur Space Solar Power GmbH Таблица 3 Основные характеристики различных типов КФЭП на основе соединений InGaP / InGaAs / Ge Наименование Jкз, A/см² (Iкз, A) Uхх, В J(Pм)0, A/см² (I(Pм)0, A) U(Pм)0, В КПД(Pм)0, % КПД, % FF, % Размеры, мм Мощность излучения, Вт/см² (спектр) Spectrolab Inc, (США) [22] CPV Dense Array Solar Cells 6,950 3,170 6,760 2,940 38,8 87,1 14,19×9,90 50 (ASTM G173-03 spectrum) CPV Small Aperture Point Focus Solar Cell 6,950 3,170 6,760 2,940 38,8 87,1 31,5×31,5 (Æ = 30); 14,4x14,4 (Æ = 13) CPV Point Focus Solar Cells 7,190 3,210 6,830 2,870 39,2 10×9,9; 9,299×9,299; 8,854×8,640; 5,547×5,542 50 (ASTM G173-03 slow AOD spectrum) C3P5 Improved CPV Technology 39,5 5,977×5,591 Окончание табл. 3 Наименование Jкз, A/см² (Iкз, A) Uхх, В J(Pм)0, A/см² (I(Pм)0, A) U(Pм)0, В КПД(Pм)0, % КПД, % FF, % Размеры, мм Мощность излучения, Вт/см² (спектр) CPV Point Focus Solar Cells 7,533 3,125 7,249 2,762 40,0 85,1 10,0×9,9; 9,299×9,299; 8,854×8,640; 5,547×5,542 50 (ASTM G173- Direct Low- AOD Spectrum) SolAero Technologies, Corp. (США) [23] CTJ Photovoltaic Cell 6,480 3,190 6,34 2,760 39,6 10,680×10,075 50 Azur Space Solar Power Gmbh (Германия) [24] Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 (MC/Air ×250) (0,36) 3,020 (0,35) 2,800 42,8 90,1 3×3 (ASTM G173-03) (1,16) 3,070 (1,14) 2,820 42,0 90,1 5,5×5,5 (3,79) 3,070 (3,71) 2,800 41,4 89,4 10×10 Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 (MC/Air ×250) (0,37) 3,050 (0,36) 2,800 44,0 89,4 3×3 (ASTM G173-03) (1,19) 3,080 (1,17) 2,800 42,9 89,5 5,5×5,5 (3,85) 3,060 (3,77) 2,800 42,1 89,9 10×10 Cesi SpA (Италия) [25] Triple-Junction Solar Cell for Terrestrial Applications (CCTJ40) 7,400 3,100 39,1 86,0 10,92×10,06 (AM1,5D, LOW AOD, T = 25 °C) а б в г д е ж з Рис. 9. Внешний вид различных типов InGaP / InGaAs / Ge КФЭП [22-25]: а - CPV Dense Array Solar Cells (Spectrolab Inc. (США)); б - CPV Small Aperture Point Focus Solar Cell (Spectrolab Inc. (США)); в - CPV Point Focus Solar Cells, C3P5 Improved CPV Technology, CPV Point Focus Solar Cells (Spectrolab Inc. (США)); г - CTJ Photovoltaic (SolAero Technologies, Corp. (США)); д - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 и Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 с размерами 3 × 3 мм (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия)); е - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 и Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 с размерами 5,5 × 5,5 мм (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия)); ж - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 и Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 с размерами 10 × 10 мм (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия)); з - Triple-Junction Solar Cell for Terrestrial Applications (CCTJ40) (Cesi SpA (Италия)) Fig. 9. Appearance of different types of InGaP / InGaAs / Ge solar cell for concentrated radiation [22-25]: a - CPV Dense Array Solar Cells (Spectrolab Inc. (USA)); b - CPV Small Aperture Point Focus Solar Cell (Spectrolab Inc. (USA)); c - CPV Point Focus Solar Cells, C3P5 Improved CPV Technology, CPV Point Focus Solar Cells (Spectrolab Inc. (USA)); d - CTJ Photovoltaic (SolAero Technologies, Corp.(USA)); e - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 and Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 with dimensions 3 × 3 mm (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Germany)); f - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 and Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 with dimensions 5,5 × 5,5 mm (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Germany)); g - Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C42 and Concentrator Triple Junction Solar Cell 3C44 with dimensions 10 × 10 mm (AZUR SPACE Solar Power GmbH (Germany)); h - Triple-Junction Solar Cell for Terrestrial Applications (CCTJ40) (Cesi SpA (Italy)) Рис. 10. Направления улучшения энергетических и энергомассовых характеристик InGaP / InGaAs / Ge ФЭП [29-31]: а - традиционная структура трехкаскадного ФЭП на основе соединений материалов InGaP / InGaAs / Ge; б - удаление части Ge-подложки; в - встраивание в структуру ФЭП наноразмерных объектов; г - встраивание в структуру ФЭП новых генерирующих каскадов; д - полная замена Ge-каскада (ультратонкие инвертированные метаморфные трехкаскадные ФЭП); е - создание метаморфных четырехкаскадных ФЭП; ж - создание метаморфных каскадных ФЭП на основе нитридов и антимонидов (4 и более каскадов); з - ультратонкие инвертированные метаморфные каскадные ФЭП (более 4-х каскадов) Fig. 10. Directions for improving the energy and energy-mass features of the InGaP / InGaAs / Ge solar cells [29-31]: a - traditional structure of a triple junction solar cell based on InGaP / InGaAs / Ge materials; b - removal of a part of the Ge substrate; c - integration of nanoscale objects into the solar cell structure; d - integration of new generating junctions into the solar cell structure; e - complete replacement of Ge junction (ultrathin inverted metamorphic triple junction solar cell); f - creation of metamorphic four junction solar cell; g - creation of metamorphic multijunctions solar cells based on nitrides and antimonides (four or more junctions); h - ultrathin inverted metamorphic multijunctions solar cells (four or more junctions) Такие элементы предназначены для работы с по- токами излучения высокой плотности и в связи с этим имеют схожие конструктивные особенности с КФЭП. Основные отличия этих ФЭП связаны с оптимизацией АОП и генерирующей структуры ФЭП для работы в узком спектральном диапазоне. Направления улучшения характеристик полу- проводниковой структуры ФЭП на основе соеди- нений AIIIBV. До некоторого времени считалось, что существует два направления улучшения характе- ристик ФЭП на основе соединений AIIIBV. Первым направлением является оптимизация находящейся в стадии практической эксплуатации структуры InGaP / InGaAs / Ge ФЭП за счет достижения более высокой равномерности по составу, уровню легирования и толщинам, а также согласования слоев при- менительно ко всей площади прибора. К этому направлению относятся и работы по улучшению энер- гомассовых характеристик [6] за счет снижения тол- щины не участвующей в генерации части германие- вой подложки. Второе направление заключается в модификации структуры с помощью встраивания различных наноразмерных и наноструктурых элемен- тов - РБО, квантовых точек, квантовых ям, с посте- пенным переходом к структурам с большим количе- ством каскадов, оптимизированным по спектральной чувствительности. Однако первое направление на настоящий момент в большей степени реализовано, и, наблюдая за общей активностью в данной области, следует говорить о смещении приоритетов в сторону реализации модификации структуры InGaP / InGaAs / Ge ФЭП. В общем виде идеология возможных модификаций полупроводниковой структуры современных каскад- ных ФЭП для повышения их энергетических и энер- гомассовых характеристик приведена на рис. 10, где схематично проиллюстрированы основные изменения конструкций и технологий изготовления модифици- рованных ФЭП, предложенные различными научны- ми группами в работах [29-32]. Долгое время успехи и достижения в области того или иного уровня модификаций (из представленных на рис. 10) носили характер единичных лабораторных образцов, и не имелось каких-либо подтверждений промышленного производства ФЭП данных типов. Тем не менее, предложенная недавно новая техноло- гия эпитаксиального роста слоев со значительно от- личающимися параметрами решетки с помощью пе- реходных слоев, называемых метаморфными, позво- лила расширить набор полупроводниковых соедине- ний, которые могут быть использованы в модифици- рованных ФЭП. Технологии роста метаморфных структур и инвертированных метаморфных структур позволят создавать трехкаскадные сверхтонкие ФЭП, а также ФЭП с четырьмя и более каскадами. Ожида- ется, что реализация этих направлений позволит дос- тичь качественного скачка в повышении эффективно- сти преобразования солнечной энергии, сравнимого с таковым при переходе к каскадным структурам (см. рис. 1). Заключение. Приведенные данные показывают, что за сравнительно небольшой промежуток времени (с начала 50-х г. XX в.) развитие научных знаний о физике полупроводников и полупроводниковых при- боров, физике космоса, материаловедении и эволюция технологий позволили сделать значительный шаг по совершенствованию ФЭП космического назначения и добиться высоких значений основных критических свойств этих приборов, таких как эффективность пре- образования, диапазон рабочих температур, радиаци- онная стойкость и срок активного существования. Во многом это было связано с переходом от кремния в качестве основного материала генерирующей полу- проводниковой структуры к арсениду галлия и после- дующему развитию в направлении применения кас- кадных гетероструктур на основе соединений АIIIBV. Так, достигнутый в массовом производстве уро- вень параметров ФЭП на основе ставшей традицион- ной гетероструктуры InGaP / InGaAs / Ge большинст- ва мировых производителей составляет для солнечно- го спектра АМ0 КПД от 26 до 30 %, ток короткого замыкания в среднем - 17 мА/см2 для ФЭП площадью ~ 30 см2, а для ФЭП с увеличенными габаритными раз- мерами - до 18 мА/см2, при этом значение напряже- ния не превышает 2,7 В. Срок активного существова- ния для таких ФЭП на большинстве используемых орбит - 15 лет. Вместе с тем работы по достижению высоких ха- рактеристик и совершенствованию структуры ФЭП (преимущественно полупроводниковой) привели к значительному усложнению технологии их изготов- ления, что в настоящий момент несколько сдерживает дальнейший качественный рост параметров ФЭП. Ведутся работы по другим направлениям, например, по увеличению фотоактивной площади, что стало возможным благодаря достижению высокой однород- ности на всей площади слоев эпитаксиальной струк- туры. Это сокращает количество необходимых ком- мутаций и сборочных процессов при изготовлении СБ. Также перспективны работы по сокращению толщины не используемой в генерации части подлож- ки. Результаты этих работ дают выигрыш в удельных энергомассовых характеристиках, имеющих особен- ное значение для энергетических систем КА. Однако наибольший выигрыш в весовых характеристиках солнечной космической батареи, а также обеспечение необходимых механических свойств при использова- нии утоненных ФЭП может быть достигнуто только при применении сотовых каркасов. Другим специфическим направлением, требую- щим проведения значительных работ по оптимизации всей конструкции ФЭП (АОП, габаритных размеров и контактной структуры), а также проработки соответ- ствующей части СБ является создание ФЭП для пре- образования концентрированного излучения. Их при- менение в космосе во многом ограничивается необхо- димостью создания системы концентрирования и эф- фективной системы теплоотвода, что в условиях кос- мического пространства проблематично и ведет к значительному приросту массы энергосистемы КА. Тем не менее, эти системы стоит рассматривать как перспективу для мощных энергоустановок (например, планетарных станций) и аппаратов дальнего космоса.

Об авторах

Е. В. Слыщенко

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Email: otdel_17@nppkvant.ru
Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16; Российская Федерация, 119049, г. Москва, Ленинский просп., 4

А. А. Наумова

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»

Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16

А. А. Лебедев

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16; Российская Федерация, 119049, г. Москва, Ленинский просп., 4

М. А. Генали

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»

Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16

Н. Т. Вагапова

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»

Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16

Б. В. Жалнин

АО «Научно-производственное предприятие «Квант»

Российская Федерация, 129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 16

Список литературы

Дополнительные файлы