Материалтану
Ғарыш радиациясының ҒА күн батареяларына әсері
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Ғарыш радиациясының ҒА күн батареяларына әсеріҒА қызметін қамтамасыз етуде энергиямен жабдықтау және термореттеу жүйелері маңызды рөл атқарады. Қазіргі заманғы ҒА-ға қарағанда борттық жүйелерді қоректендіруге арналған электр энергиясы кристалдық кремнийден дайындалған фотоэлектрлік түрлендіргіштердің (ФЭТ) көп санынан жиналатын күн батареялары көмегімен өндіріледі. Тиімділігі мен радиациялық тұрақтылығы жоғары галлий арсенидінен (GaAs) ФЭТ қолдану кеңейтілуде. Күн батареясында қолданылатын қарапайым ФЭТ-суретте схемалық түрде бейнеленген жалпақ диод. 5.37. Ол әдетте 0,1 - 100 Ом n–немесе p - типті өткізгіштікке қарсы кремнийдің пластинасынан жасалады. Пластинаның қалыңдығы ~100-500 мкм. Кері типті өткізгіштігі бар жұқа (0,1- 3 мкм) жоғары генді қабат пластинаның жылтыратылған алдыңғы бетінде қалыптасады. Күн сәулесі құрылғының көлеміне ФЭТ беті арқылы енеді, ол әдетте ағартқыш пленкамен жабылған. Қорытпа қабатта туылған негізгі емес тасымалдаушылар электр өрісіндегі диффузия мен дрейф арқылы n - p ауысуына дейін азаяды. Базалық аймақта жарықтан пайда болған тасымалдаушылар тек диффузия арқылы ауыстырылады. Электронды тесік жұптары n-p ауысуымен бөлінеді, ал ФЭТ N - және p-аймақтарына қосылған омикалық контактілерде пайда болатын потенциалдар айырмасы сыртқы тізбекте ток жасайды. Сур. 4.37. Жартылай өткізгіш ФЭТ схемалық бейнесі: 1-қорытпа қабатқа жанасу; 2 – ағартатын жабын; 3 – қорытпа қабат; 4-n – p өту аймағы; 5 – база аймағы; 6 – базалық аймаққа жанасу; 7- электр тізбегі. ФЭТ-ке күн сәулесінің ену тереңдігі оның спектрлік құрамымен анықталады, оның максимумы белгілі болғандай, шамамен 0,5 мкм құрайды. Толқын ұзындығы 1,15 мкм болатын жарықтың жұтылуы тасымалдаушылардың фотоэлектрлік қозуымен анықталатындықтан, бұл процесс пайда болған электронды тесік жұптарының таралуын сипаттайды. Жарықтың көп бөлігі n-p өтуінің артында – ФЭТ базалық аймағында сіңеді. Негізгі тасымалдаушы құрылған орнынан n-p ауысуына дейінгі қашықтықты жеңе ала ма, жоқ па, l диффузиясының ұзындығымен анықталады. Бірінші жуықтауда l мәні n-p ауысуымен жарық шығаратын тасымалдаушылар жиналатын аймақтың белсенді қалыңдығын анықтайды. = L2 / D негізгі емес тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты ұзақ диффузиямен байланысты, мұндағы D-диффузия коэффициенті. ЖРБ және ҒКС протондары ФЭТ-ке ең көп зиян келтіреді. Олардың әсерінен ФЭТ вольт-амперлік сипаттамасының параметрлері нашарлайды: қысқа тұйықталу тогы (IKZ) және бос кернеу (U хх), сәйкесінше өндірілетін электр қуаты төмендейді. ФЭТ радиациялық зақымданудан қорғау үшін олардың беті протон ағынының көп бөлігін сіңіретін, бірақ күн сәулесінің ағынын әлсіретпестен өткізетін арнайы әйнектен жасалған жұқа (100-200 мкм) пластиналармен жабылады. Сәулелендіру кезінде пайда болатын электрондар мен тесіктер үшін тұзақтар жасайтын церий оксидтері қосылған арнайы әйнектер қажетті қасиеттерге ие, осылайша әйнектегі бояу орталықтарының пайда болуына жол бермейді. Қазіргі уақытта ҒА күн батареяларын жасау кезінде тиімділігі жоғары көп қабатты каскадты ФЭТ-ты қолданады. Мұндай түрлендіргіштерде әртүрлі құрамдағы жартылай өткізгіш материалдардың қабаттарында түзілген 3-5 p-n өтулер болады. Материалдар жарықтандырылған бетке жақын қабат қысқа толқынды күн сәулесін сіңіретін етіп таңдалады, ал қабаттар бетінен алыстаған сайын сіңірілетін сәулеленудің толқын ұзындығы артады. Нәтижесінде күн спектрін неғұрлым толық пайдалануға және тиісінше ФЭТ тиімділігін арттыруға қол жеткізіледі. Мысалы, gainp–GaAs– Ge құрылымы бар үш каскадтық ФЭТ (бірінші бетке жақын қабат көрсетілген) шамамен 35% ПӘК алуға мүмкіндік берді, бұл өнеркәсіп шығаратын кремний ФЭТ - термен салыстырғанда шамамен 2 есе жоғары. ФЭТ - ке радиациялық әсерді негізгі емес тасымалдаушылардың өмір сүру деңгейінің өзгеруіне әсер ететін бөлшектердің флюенсінің мөлшерімен байланыстыратын зақымдану коэффициенті K деп сипаттауға болады: және - сәулелендіруге дейін және одан кейін тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты. L тасымалдаушыларының диффузиялық ұзындығы әдетте, эксперименттерде өлшенетіндіктен, KL зақымдану коэффициенті де осылай енгізіледі: Кесте 4.5. Әр түрлі энергиясы бар электрондар мен протондардың ФЭТ зақымдануының салыстырмалы тиімділігі
4.5 кестеде. p типті кремний ФЭТ үшін KL коэффициентінің салыстырмалы мәндері келтірілген, олар әр түрлі энергиялары бар электрондар мен протондармен сәулелендірілген кезде = 1 Ом см. KL шамасы 1 МэВ энергиясы бар электрондар үшін тиісті мәнге нормаланады, олар радиациялық төзімділікке ФЭТ стандартты сынақтары кезінде пайдаланылады. 5.38 а - сур. ФЭТ вольт-амперлік сипаттамасының өзгеруін, суретте көрсетілген. 5.38 B – протондардың флюенсіне байланысты 6,3 МэВ энергиясы бар протондармен сәулеленген кезде Iкз қысқа тұйықталу тогының салыстырмалы мәні болады. Кремний ФЭТ қысқа тұйықталу тогының тығыздығы IКЗ ~ 40– 45 мА·см-2 болса, Uxx ~ 0,5–0,6 В бос жүріс кернеуін қамтамасыз етеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, күн сәулесінің энергиясын электр энергиясына кремний ФЭТ түрлендіру коэффициенті 22% жетуі мүмкін, іс жүзінде өндірілген ФЭТ-тің тиімділігі 15-17% құрайды. KL зақымдану коэффициентін қолдану әр түрлі энергиясы бар бір типтегі бөлшектердің де, әр түрлі бөлшектердің де ФЭТ-ке әсер етуі арасындағы эквивалентті анықтауға мүмкіндік береді. Бұл 1 МэВ энергиясы бар электрондар ретінде таңдалған моноэнергетикалық бөлшектердің эквивалентті ағыны арқылы ФЭТ-ке сәулеленудің әсерін сипаттауға мүмкіндік береді. 4.39 - сур. ФЭТ параметрлерінің осындай энергиясы бар электрондардың флюенсіне тәуелділігін көрсетеді. Сур. 4.38. а-ФЭТ вольт-амперлік сипаттамасының 6,3 МэВ энергиясымен [м -2] Протон флюенсінен өзгеруі: 1-сәулеленуге дейін; 2 – 1014; 3 – 1015; 4 – 1016; 5 – 1017. б-GaAs (1) және Si (2) - дан ФЭТ үшін протондар флюенсіне Iкз қысқа тұйықталу тогының салыстырмалы жүргізуінің тәуелділігі Салыстырмалы тозу Сур. 4.39. ФЭТ параметрлерінің 1 МэВ энергиясы бар электрондардың флюенсіне тәуелділігі Әдетте, ғарыштық сәулеленудің әсерінен қорғаныс әйнегі бар күн батареясының жоғалуы пайыздық үлеспен өлшенеді, алайда ҒКС протондарын шығаратын қуатты күн сәулесі кезінде қуаттың күрт төмендеуі 1-3% болуы мүмкін, бұл суретте көрсетілгендей 5.40. Сур. 4.40. Күн жарқылы пайда болған кезде ҒА күн батареялары тогының өзгеру графигі (көрсеткілермен жарқыл сәттері көрсетілген) Ғарыштық радиацияның әсерінен ФЭТ сипаттамаларының нашарлауының негізгі себебі негізгі емес тасымалдаушыларының өмір сүру уақытының азаюы болып табылады. ФЭТ сәулеленген кезде бірінші кезекте базалық саладағы шамасы өзгереді. Бұл параметрдің бастапқы мәні әдетте бірнеше микросекундтан асады. Қорытпа қабатта өмір сүру уақыты ~10 -9 с болатын сәуле жоғары ағымдармен ғана азаяды. төмендеуі тыйым салынған аймақта терең энергетикалық деңгейлері бар, радиациялық ақаулардың пайда болуына байланысты көлемді рекомбинация жылдамдығының артуымен байланысты. Сәулеленген жартылай өткізгіштегі негізгі емес тасымалдаушылардың рекомбинация ықтималдығы 1 / -қа тең, сәулеленуге дейін болған орталықтар мен иондаушы сәуле шығаратын орталықтар арқылы рекомбинация ықтималдығынан тұрады. Жоғарыда сипатталған қорғаныс көзілдіріктерін қолдана отырып, ФЭТ- ке радиациялық әсерді азайту әдістемесінен басқа, оларды литиймен қорытпа арқылы кремний ФЭТ-тің радиациялық тұрақтылығын арттыру мүмкіндігі бар. Радиацияның әсерінен кейін ФЭТ ішінара қалпына келуі Li атомдарының радиациялық ақауларға диффузиясы және олармен кейінгі өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. ФЭТ радиациялық тұрақтылығын арттырудың тағы бір мүмкіндігі, дәлірек айтқанда, сәулелену нәтижесінде пайда болған радиациялық зақымдарды жою - ФЭТ жоғары температуралы күйдіру болып табылады. 400°С температурада бірнеше минут күйдіру радиациямен зақымдалған ФЭТ параметрлерінің айтарлықтай (және кейде толық) қалпына келуіне әкеледі. Ғарышта күн панельдерін жоғары температураға дейін жылытуды практикалық жүзеге асыру бірқатар техникалық қиындықтарды жеңуді қажет етеді. Дегенмен, бұл міндет мүмкін емес сияқты. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|