2.4.3. Гетероструктурные солнечные батареи

Солнечные элементы являются основными источниками энергии для космических аппаратов. Все большее увеличение требований к бортовым системам делает необходимым разработку солнечных батарей, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами, КПД и сроком службы. Решением проблемы является разработка герероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и соединений А3В5.

Солнечные элементы широко используются в космических солнечных батареях. Имеется большой отечественный и зарубежный опыт использования элементов на основе AlGaAs/GaAs, AlGaInP/GaAs и других наногетероструктур. Солнечные батареи на их основе имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми и германиевыми батареями. Улучшение характеристик происходит за счет уменьшения толщины широкозонного окна до нескольких сот ангстрем, изменения параметров материала активной области, создания тыльных потенциальных барьеров и встроенных полей, создания встроенного зеркала.

Прогресс в сфере солнечных фотоэлементов на основе арсенида галлия был обусловлен применением новых методов выращивания гетероструктур. Благодаря новым технологиям было оптимизирована толщина широкозонного окна AlGaAs. Этот слой также стал выполнять функцию третьей составляющей в трехслойном интерференционном антиотражающем покрытии фотоэлемента. гетероструктуры солнечного элементов, для которых была получена рекордная для системы с одним переходом эффективность преобразования для 100х концентрации солнечного излучения (24,6%).

Гетероструктуры AlGaAs/GaAs на германиевой подложке, перспективные для использования на космических аппаратов ,поскольку германий прочнее, чем арсенид галлия, а получаемые батареи по весовым и прочностным характеристикам сравнимы с кремниевыми, а по КПД и радиационной стойкости их превосходят. Такие солнечные батареи позволяют работать при высоких концентрациях солнечного излучения, которое достигается при помощи линз Френеля с коэффициентом концентрации до 1000 крат, а элементы при этом не нагреваются. При этом происходит и увеличение КПД, значение которого в условиях космоса достигает 30%. Увеличение радиационной стойкости солнечных батарей, обеспечивает увеличение срока их эксплуатации примерно в 2 раза, так как деградация наногетероструктур происходит значительно медленнее, чем кремния.

В наноструктуре трехкаскадного фотопреобразователя происходит расщепление солнечного излучения на три спектральных участка, для каждого из которых подобран подходящий полупроводник для наиболее эффективного преобразования излучения (Ge, GaAs, GaInP).

Несмотря на более высокую стоимость гетеростуктурных солнечных батарей по сравнению с кремниевыми, затраты при их использованию снижаются примерно в 2 раза благодаря уменьшению их размера, увеличению в 2 раза удельного энергосъема и срока службы, снижению расхода топлива при доставке их на орбиту. В связи с этим в космических программах США, стран Западной Европы, Японии все большее внимания уделяется данному типу солнечных батарей. Наладить крупномасштабное производство гетероструктурных космических солнечных батарей в России очень важно, так как в это требуется в рамках программ научных исследований, для обеспечения обороноспособности страны, для развития систем космической связи, информационных и информационно-управляющих систем.