История электротехники

4. Разработка тонкопленочной технологии СЭ на основе аморфного кремния, которые относятся к новому поколению панелей СБ для энергоснабжения космических аппаратов, действующих на различных орбитах. Основная цель — создание ультралегких панелей с максимальным отношением вырабатываемой мощности к массе, существенно превышающим достигнутые на сегодня или планируемые результаты на других типах СБ. Такие ультралегкие панели СБ можно будет применять для широкого класса орбит, в особенности в случаях, когда определяющей является стоимость запуска космического аппарата, в частности для геостационарных орбит. Другой важнейшей особенностью данного направления является возможность создания солнечных панелей рулонного типа, обладающих максимальной плотностью упаковки и наибольшим отношением вырабатываемой мощности к объему, занимаемому солнечными панелями. Эта особенность позволяет считать предполагаемый тип солнечных панелей перспективным также для низкоорбитальных полетов.

Наконец, в силу принципиальных особенностей технологии, в которой активная структура осаждается непосредственно на подложку из газовой фазы, открываются возможности организации полностью автоматизированного цикла, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости рулонных аморфнокремниевых батарей по сравнению с монокристаллическими аналогами.

Наибольших успехов в этой области добилась фирма ЕСД («Energy Conversion Di-vices»), США, создавшая два завода по производству аморфных СБ (в первую очередь для наземного использования).

ГНПП «Квант» и фирма ЕСД учредили в 1990 г. совместное предприятие «Совлакс», особенностью продукции которого является использование впервые в мировой практике двух-, трехпереходных каскадных структур СЭ, что создает предпосылки для получения максимального КПД и стабильности характеристик.

К числу перспективных направлений исследований по созданию новых СЭ следует отнести также работы по использованию в качестве фотоэлектрического материала фосфида индия. СЭ на этой основе работоспособны при температуре до 120°С и обладают приблизительно на 15.% большей радиационной стойкостью, чем арсенид-галлиевые. Возникающие под действием радиации дефекты в объеме этого материала, снижающие значения генерируемого СЭ тока, относительно легко ликвидируются в процессе эксплуатации естественным образом под действием солнечной радиации при температуре 80–100 °С. В то время как организовать отжиг кремниевых или арсенид-галлиевых батарей, для чего требуются температуры 450 и 250 °С соответственно, в процессе эксплуатации практически невозможно.

Таким образом, основными тенденциями в совершенствовании СЭ в настоящее время являются:

1) переход на тонкопленочные структуры на базе аморфного кремния, фосфида индия, гетероструктур на основе диселенидов индия и меди, поликристаллических пленок теллурида кадмия и др., чем достигается существенное улучшение массогабаритных параметров и повышение радиационной стойкости;

2) построение каскадных композиций, что позволяет избирательно и эффективно преобразовывать все участки солнечного спектра излучения, обеспечивая высокий результирующий КПД.

В частности, американская фирма «Spectrolab Inc.» разработала и установила на спутниках СБ мощностью 10 кВт, построенную на СЭ, с КПД 21,6%. Эти элементы имеют двухслойную структуру. Наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, он преобразует коротковолновую часть спектра. Внутренний слой из арсенида галлия использует длинноволновую часть. Подложка элемента изготовлена из германия. К числу ведущих зарубежных фирм в области разработки новых солнечных элементов помимо упомянутой фирмы следует отнести «Sharp» (Япония), «Telefunken» (Германия).

Определенный интерес представляют разработки СБ с использованием концентраторов (параболических зеркал, линз Френеля, фоконов), увеличивающих степень концентрации в десятки раз. При этом достигается более эффективное использование фотоэлектрического материала. Однако возникают трудности с компоновкой батарей и с массогабаритными удельными характеристиками. Кроме того, при больших концентрациях во избежание перегрева элементов необходимо предусматривать эффективной отвод теплоты с помощью специальных устройств.

Крупномасштабное внедрение СБ в сочетании с накопителями энергии, начавшееся в 70-е годы, потребовало разработки специальных серебряно-цинковых аккумуляторов, способных работать в буферном режиме в существенно жестких условиях эксплуатации. Для обеспечения работоспособности их в циклическом режиме от 30 сут до года и больше были созданы новые сепарационные материалы и электролиты со специальными добавками.

В 80-е годы при реализации программы спускаемых аппаратов «Венера» и «Союз» возникло дополнительное весьма жесткое требование — устойчивость буферных батарей при любой ориентации к удару. Решение этой задачи привело к существенному пересмотру всей конструкции буферных батарей и введению демпфирующих элементов.

Для обеспечения питания аппаратов типа «Союз» и серии «Космос» были созданы герметичные оснащенные специальными клапанами буферные батареи, способные функционировать в открытом космосе. Условия эксплуатации аппаратов типа «Марс» обусловили внесение в конструкцию батареи специальных газопоглощающих устройств, предотвращающих выделение водорода в окружающее пространство отсека.

Параллельно не прекращалось совершенствование серебряно-цинковых аккумуляторов одноразового использования с целью повышения их удельных энергетических параметров и доведения срока их службы до максимального в автономном режиме без восполнения энергией от СБ.

Вслед за первым искусственным спутником Земли такие аккумуляторы применялись на аппаратах «Восток», «Восход», первых «Союзах», «Лунниках» и типа «Зонд». Аналогичные аккумуляторы использовались на американских космических аппаратах «Джемени», «Аполлон». Для ряда задач потребовалось создание принципиально новых сухозаряженных СЦ-аккумуляторов (ряд аппаратов типа «Космос») с длительным сроком сохранности и относительно быстрым приведением в рабочее состояние.

Наиболее значительной работой в этом направлении явилось энергообеспечение космической системы «Энергия-Буран», где требовалась рекордная для космических задач емкость до 130–140 А∙ч при удельной энергии до 150 Вт∙ч/кг. Такие аккумуляторы были созданы в ГНПП «Квант» и полностью обеспечили выполнение программы. В настоящее время за счет увеличения коэффициента использования активных масс, применения новых высокодисперсных серебряно-цинковых структур, составов электролитов и сепарационных материалов ведутся исследования по доведению ресурса батарей до 1,5–2 лет при удельных параметрах 120–130 Вт∙ч/кг.

Для длительных космических программ продолжают использоваться герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы, имеющие более низкие удельные энергетические параметры (порядка 30 Вт∙ч/кг), но обеспечивающие большой срок службы (несколько лет) при числе циклов заряд-разряд до 10 тыс. Меньшей цикличностью (до 2000) обладают серебряно-кадмиевые аккумуляторы при удельной энергоемкости порядка

60 Вт∙ч/кг. Такие аккумуляторы применялись в долгосрочных российских космических программах «Венера», «Марс», «Молния», «Салют», а также американских «Маринер», «Пионер», «Эксплорер» и др.

Более широкие перспективы открываются при переходе на новые электрохимические системы, такие как никель-водород и никель-металлгидрид, где ожидается доведение ресурса до 7–10 лет. Никель-водородные аккумуляторы прошли успешные летные испытания на аппаратах «Радуга» и «Горизонт» со сроком службы до 5 лет [8.41, 8.51, 8.52].

Головной организацией по разработке космической солнечной фотоэнергетики в России является ГНПП «Квант», сотрудники которого Н.С. Лидоренко, А.П. Ландсман, М.Б. Каган, В.А. Летин, Г.З. Казакевич и др. внесли существенный вклад в становление и развитие этого направления.

В создании научных основ фотопреобразования значительная роль принадлежит Ж.И. Алферову, B.C. Вавилову, В.К. Субашеву и другим сотрудникам Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, Физического института им. П.Н. Лебедева, Института химической физики и ряда смежных организаций.