Курсовая работа: Влияние космической радиации на солнечные батареи искусственных спутников Земли и способы защиты

где L0 –диффузная длина в исходном материале, KL = Кτ / D, где D –коэффициент диффузии, не зависящий от облучения. Значения , KL для протонов и электронов различных энергий приведены в таблице 2.[3]

Уменьшение тока короткого замыкания при радиационном воздействии приводит к смещению рабочей точки ВАХ ФП в сторону меньшего значения максимальной мощности, что соответствует снижению КПД и выходной мощности.

При облучении ФП корпускулярными частицами: уменьшается время жизни носителей заряда в базовой области. Исходное значение время жизни заряда составляет несколько микросекунд, а в легированной области – порядка 10 в -9 секунд. Его уменьшение наблюдается только при очень больших потоках частиц.

Ввиду того, что в полупроводниковых материалах подвижность электронов выше подвижности дырок, и диффузные длины генерированных светом электронов в кремнии p - типа больше, чем для дырок в материале n-типа, дырочный кремний оказывается более радиационно стойким, чем кремний n- типа. Поэтому в кремниевых ФП космического назначения материал базы имеет дырочную проводимость.

Воздействие протонов на кремний приводит к возникновению точечных дефектов, так и областей разупрочнения. Необходимо учитывать их совместное независимое действие:

Kдеф = КТА +КОР

КТА – коэффициент, учитывающий влияние точечных дефектов.

КОР- коэффициент, учитывающий влияние областей разупорядочения полупроводникового материала.

Конкретное воздействие облучения заряженными частицами на характеристики ФП зависит от вида частиц и их энергии. Например, частицы высоких энергий значительно уменьшают величину фототока в красной области спектра. Поскольку длинна их пробега достаточно велика, это явление можно объяснить уменьшением диффузной длины носителей в базе. Частицы малых энергий, поглощаются, в основном в легированном слое ФП, определяющем спектральную чувствительность в коротковолновой области, больше снижают фотоэффект в голубой области спектра.

Воздействие протонов на характеристики ФП принципиально не отличаются от электронного воздействия, за исключением протонов с малой длиной пробега. Если этот параметр оказывается меньше толщины легированного слоя, то в нем появляются радиационные дефекты, уменьшающие фоточувствительность в коротковолновой области спектра. В противном случае происходит радиационное повреждение базы. При этом собирание носителей зарядов создающих фототок, заметно измеряется только при соизмеримости диффузной длины в нарушенном слое и его толщиной.

При повышении плотности потоков таких протонов возрастает фоточувствительность в широкой области спектра. Это связано с образованием в базе вблизи p-n–перехода слоя с повышенным удельным сопротивлением, обусловленным захватом радиационными дефектами основных носителей. Это приводит к увеличению ширины области объемного заряда, захватывающий и нарушенный слой базы. Образовавшееся в нем поле обеспечивает дрейфовый механизм движения генерированных светом носителей к переходу.

У широкозонных ФП, созданных, например, на базе арсенида галлия, радиационная стойкость выше, чем у кремния, поскольку глубина проникновения фотонов солнечного излучения у них меньше за счет большей величины коэффициента поглощения и малого исходного значения диффузной длины. Поэтому на КПД ФП из этого материала почти не влияет радиационные дефекты, расположенные на глубине до 5 мкм от фронтальной поверхности.

Воздействие электронного облучения с образованием дефектов по всей глубине рабочей области на ВАХ кремниевых ФП показано на рисунке 1.[4]

Наряду с уменьшением тока, вызванного снижением собирания носителей в длинноволновой области, возрастает ток насыщения под влиянием уменьшения диффузной длины, и снижается фотоЭДС. Видно, что вместе с уменьшением выходной мощности снижается и напряжение (пунктирные линии), обеспечивающее нормальный режим работы СБ, что имеет важное значение для СБ, используемых в режиме постоянного напряжения.

Протоны малых энергий ускоряют процесс снижения фотоЭДС и коэффициента заполнения ВАХ ФП. Поскольку при их воздействии повышается скорость поверхностной рекомбинации, увеличиваются и токи утечки jo1 и jo2 , причем первый из них растет быстрее даже в том случае, когда основная часть дефектов оказывается в области объемного заряда ФП. Протоны низких энергий могут воздействовать и со стороны тыльной поверхности ФП, если несущая их подложка СБ оказывается достаточно тонкой. В этом случае может произойти компенсация проводимости в результате облучения наружного слоя с образованием при этом второго, наряду с основным, p-n-перехода. Этот переход будет притягивать к себе не основные носители заряда, уменьшая тем самым фотоЭДС и ток ФП.

Результат исследования деградации СБ спутников, летающих на низких орбитах, приведены в таблице 3. Установлено, что деградация СБ спутников «Телстар1» и «Телстар2» в основном вызывалось протонами радиационных поясов. На спутнике «NEOS A1» радиация за 800 суток полета составила 3,5%, что предписывается не к «фотонной» деградации. Спутник, NTS-1, открывающий серию запускаемых на орбиты, близкие к круговым, под разными углами к плоскости экватора, имел СБ, деградация которой оказалась на много выше расчетной. При этом наиболее заметно снизилась мощность фотоприемника из лития, что не получило однозначного объяснения. Предполагают, что характеристики могли ухудшиться в следствие диффузии лития через p-n-переход либо вследствие перегрева панели с ФП, либо из-за нарушения контактов. Сильную деградацию отмечали и в «фиолетовых» ФП с неглубоким переходом, но их абсолютная мощность оставалась по-прежнему выше абсолютной мощности обычных ФП. Так на 753 сутки полета максимальная мощность фиолетовых ФП составляла 47…50 мВт, а обычных ФП только 39,1 мВт.

При расчетах радиационной обстановки на геостационарной орбите действие излучения на СБ обычно учитывают влиянием протонов и электронов радиационных поясов, а так же космических лучей. Значение потоков электронов с энергией 1 МэВ, эквивалентных потокам электронов и протонов, действующих на кремний p-типа проводимости, приведены в таблице 4. В ней же указаны величины потоков, достигающих поверхности ФП при использовании покрытий из плавленого кварца различной толщены.

Доминирующее значение на ГCO имеют электронные потоки. Велики также потоки протонов малых энергий. Заметное влияние могут оказать и протоны солнечных вспышек. Некоторые экспериментальные данные о деградации СБ различных КА, запущенных на геостационарную орбиту, приведены в таблице 5. Во время полетов на ГСО были впервые обнаружены оптическая деградация покрытий и воздействие протонов низких энергий. На спутниках серии IDSCS потемнение защитных покрытий толщиной 0,5мм привело к дополнительному снижению тока СБ на 9±3% за пять лет полета.

Поток протонов малых энергий ( Е > 100кэВ ) на геостационарной орбите равен 5,4*10-11 см-2*сутки-1. Именно их воздействием объясняется быстрая деградация СБ спутников INTELSAT F4 и ATS-1, аналогичная той, которую наблюдали на лабораторных ФП, поверхность которых была не полностью защищена покрытием от влияния радиационных частиц. Поэтому в настоящее время некоторые участки поверхности ФП покрывает защитным составом. Уменьшение воздействие частиц низких энергий обеспечивается и защитными стеклами из плавленого кварца и аналогичных им материалов.

Оптимальная толщина стекол находится в пределах 0,15…0,3 мм, хотя допускаются и облегченные варианты. Например, на канадском спутнике связи CTS использованы гибкие разворачиваемые панели фирмы АЕГ Телефункен (ФРГ) с защитным покрытием из стекол с церием толщены 100 мкм. В этом случае была отмечена несколько большая деградация СБ.

В настоящее время удается надежно прогнозировать деградацию СБ, связанную с потемнением защитных покрытий и наличием незащищенных участков рабочей поверхности ФП.

Повысить радиационную стойкость СБ можно за счет использования более устойчивого к космическому излучению материала базы ФП. Установлено, что радиационная стойкость базы ФП понижается с ростом степени легирования. Это связано со взаимодействием легирующей примеси с радиационными дефектами, при этом образуются рекомбинационные центры для носителей заряда. Степень такого взаимодействия определяется природой примеси. Кремний, легированный алюминием, более устойчив к воздействию космического излучения, чем кремний, легированный бромом. Повышение удельной проводимости материала базы уменьшает деградацию ФП при влиянии как электронного, так и протонного облучения. Однако слишком большой рост ρ базы нежелателен, так как в этом случае может снизиться КПД ФП. Поэтому в каждом отдельном случае ищут компромиссное решение.

Радиационную стойкость можно повысить путем легирования исходного материала литием, атомы которого обладают большой подвижностью при температуре 20…50˚C. Литий дрейфует в область радиационных нарушений и нейтрализует электрическую активность образовавшихся дефектов. Добавка лития немного понижает КПД ФП.

Радиационную устойчивость можно увеличить оптимальным выбором структурных параметров ФП. Прежде всего толщины, как показано на рисунке 2.[5] Приведенные данные получены для ФП со структурой p±n.

Радиационное воздействие сказывается на механических свойствах солнечных батарей. При воздействии электронов с энергией 500кэВ (полет на геосинхронной орбите в течении 5 лет) модуль упругости материалов СБ снижается на 10%.

Деградация оптических параметров ФП

Фотоэлектрические свойства ФП и всей СБ могут ухудшиться вследствие изменения оптических параметров защитных стекол, просветляющих и иных покрытий, а также компонентов, обеспечивающих их установку, например, клеящих составов. Причины подобной оптической деградации могут быть следующими:

К-во Просмотров: 259
Бесплатно скачать Курсовая работа: Влияние космической радиации на солнечные батареи искусственных спутников Земли и способы защиты