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

Курсовая работа

На тему

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

Содержание

Введение

Космическая радиация

Радиационная деградация ФП и СБ

Деградация оптических параметров ФП

Заключение

Таблицы

Список литературы

Введение

Опыт эксплуатации солнечных батарей на спутниках показал, что существующие в околоземном космическом пространстве потоки корпускулярной радиации оказывают сильное разрушающее влияние на фотоэлементы.[1] Корпускулярная радиация состоит из:

-Космических лучей, имеющие галактическое происхождение, состоящие в основном из протонов, а также легких ядер(имеют низкую интенсивность и поэтому не опасны для солнечных батарей).

-Космических лучей, появляющихся в результате вспышек на Солнце. Длится такое излучение от нескольких часов до суток и состоит, в основном, из протонов. Наблюдается через 2-3 года после максимума 11-летнего цикла солнечной активности.

-Частицы, захваченные магнитным полем земли. Они представляют наибольшую опасность для солнечных батарей, так как они действуют непрерывно.

В зависимости от высоты орбиты спутника, перечисленные факторы влияют по-разному. Соответственно, и методы защиты будут различными.

Космическая радиация

В 50-е годы в космическом пространстве установлено наличие потоков заряженных частиц (электронов, протонов, α-частиц), захваченных магнитным полем Земли. В таблице 1 указан состав космического корпускулярного излучения в зависимости от высоты полёта КА.

Плотность радиационных потоков и энергия содержащихся в них частиц распределена в космическом пространстве неравномерно. Наибольшая плотность частиц отмечена в двух участках пространства, называемых радиационными поясами Земли. Возникновение их обусловлено магнитными полюсами нашей планеты. Оно захватывает попадающие в него заряженные частицы, в результате чего магнитосфера земли заполняется электронами, протонами, а также ионами различных энергий. Их совокупность образует радиационные пояса, условно разделяемые на внешний и внутренний. Положение их в пространстве можно выразить величиной L , соответствующее расстоянию до оси формирующего магнитное поле Земли диполя. Эта величина выражена в единицах радиуса Земли – 6370 км. Указанные пояса расположены симметрично относительно земной поверхности вследствие как смещения диполя относительно оси Земли, так и наличия Южно-Антарктической магнитной аномалии. Внутренний пояс расположен в интервале I, 2 < L <2,5, причём максимальная интенсивность потока электронов с ростом их энергии смещается в область меньших высот. Внешний радиационный пояс простирается до L = 8, причём между ним и внутренним поясом имеется промежуток L = 2,5 … 3, в котором потоки электронов становятся относительно малыми. Исследования показали, что внутренний радиационный пояс остаётся достаточно стабильным во времени, тогда как для внешнего пояса характерны изменения как по интенсивности, так и по распределению частиц в пространстве. Внутренний пояс состоит из электронов с энергией более 100 кэВ и протонов с энергией более 30 МэВ, а внешний внешний пояс содержит электроны со сплошным спектром энергий от нескольких кэВ до МэВ и протоны с энергией до нескольких МэВ.[2]

Основным негативным воздействием космической радиации является создание дополнительных центров рекомбинации путём смещения атомов полупроводникового материала ФП в междоузлии. Наибольший эффект вызывают электроны с энергией 0,2…1,0 МэВ и протоны с энергией 4…40 МэВ.

Протонная составляющая радиации поясов стабильна во времени. При этом пространственное распределение потоков протонов не совпадает с электронным. В итоге максимальная интенсивность протонов с энергиями 1…2 МэВ отмечена в зазоре между поясами, причём с ростом энергии этих частиц она смещается ближе к Земле.

Радиационные пояса имеются и у других планет Солнечной системы. Сильное магнитное поле Юпитера, магнитосфера которого распространяется на расстояние примерно 100 его радиусов, создаёт интенсивные потоки заряженных частиц. Очень большие потоки электронов высоких энергий во внутреннем поясе этой планеты (L < 10Rюп ) почти отсутствуют в радиационных поясах Земли. Во внешнем радиационном поясе ( 20Rюп > L > 100Rюп ) интенсивность потоков снижается на 3 – 4 порядка, но всё же они могут представлять опасность для солнечных батарей КА, направляемых к этой планете. Магнитным полем обладает и Меркурий, но оно значительно слабее земного и не создаёт зон стабильного захвата заряженных частиц. Тем не менее в магнитосфере этой планеты зарегистрированы потоки электронов с энергиями более 0,3 МэВ, что значительно превышает фоновый уровень межпланетного пространства.

Источником радиационного воздействия на СБ КА может быть так же и солнечное космическое излучение, возникающее в результате вспышек на солнце. Это явление сопровождается выбросом большого количества протонов. Частота этих вспышек определяется фазой 11-летнего цикла солнечной активности и носит сезонный характер, причём максимумы приходятся на весну и осень.

Солнечные космические лучи представляют особую опасность в межпланетном пространстве, так как в близи Земли их экранирует магнитосфера нашей планеты.

Воздействие космического ультрафиолетового излучения. УФ-составляющая солнечного излучения ухудшает как характеристики входящих в СБ фотопреобразователей, так и параметры пассивных элементов схемы.

Радиационная деградация ФП и СБ.

Совокупное действие космической радиации на ФП приводит, главным образом, к снижению тока короткого замыкания, связанному с уменьшением времени жизни и диффузной длины носителей заряда. Это обусловлено возникновением под действием радиации дефектов кристаллической решётки базы ФП, являющихся центрами рекомбинации. Предполагают, что их концентрация линейно зависит от дозы излучения:

Nрад=К0Ф0

где К0 -число центров, создаваемых каждой частицей на одном сантиметре пробега, Ф0-сумарный по времени поток. Время жизни или скорость рекомбинации в объёме для этого случая можно записать в следующем виде:

1/τ = 1/τ0 +Кτ Ф

где τ0 –исходное время жизни носителей заряда, Ф –доза облучения, Кτ –постоянный коэффициент. Величина Кτ Ф определяет увеличение скорости рекомбинации, вызванное радиацией. Аналогичное выражение можно записать и для диффузной длины:

1/L2 = 1/L20 + KL Ф

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:

1)Объемное радиационное окрашивание защитных кварцевых стекол и клея.

2)Снижение прозрачности покрытий в результате загрязнения пылью, продуктами собственной атмосферы КА и выбросами двигателей.

3)Изменение теплофизических характеристик покрытия (интегральных коэффициентов поглощения αs и излучения εs, приводящие к повышению температуры СБ).

Потемнение защитных стекол под воздействием ультрафиолетовой части солнечного спектра было впервые обнаружено при полетах искусственных спутников на ГСО.

Исследования, проведенные в наземных условиях, показали, что под влиянием УФ-излучения прозрачность этих стекол вначале быстро снижается (примерно на 10%) , оставаясь после этого почти без изменений. За тем она медленно снижается до уровня, при котором стекло становится непригодным для работы. Это связано с окрашиванием стекол под влиянием излучения длинной волны 530мкм. Установлена эквивалентность воздействия УФ-излучения и быстрых электронов на стекло. УФ-излучение приводит также к потемнению клеящего состава, соединяющего защитные стекла с ФП.

Уменьшение прозрачности защитных покрытий снижает выходные параметры CБ. Так, на спутниках связи IDSCS в результате этого явления дополнительное снижение тока СБ за пять лет полета составило 9±3%. Потери мощности ФП на одном из спутников серии IDSCS (США), в течении 5 лет летавшего на высоте 20000км, равны 3…9%. Наблюдалась деградация «фиолетовых» фотопреобразователей спутника на 2,3…2,6%.

Защита от воздействия УФ-излучения обеспечивается применением радиационно-стойких стекол из плавленого кварца или стекол с примесью церия (~5%). На кварцевые стекла при этом еще наносят фильтр, отражающий УФ-излучение. Как показали исследования, на спутнике ATS-6 после 50 суток полета ток короткого замыкания солнечной батареи с ФП без отражающего фильтра уменьшился на 3,3%, а через 2 года еще на 3%. На части СБ, отражающей УФ-излучение, за тот же период уменьшение тока составило 1,6±0,7%. Можно не использовать фильтр, если вместо обычных силиконовых клеящих составов применять тонкие (~50мкм) слои фторированного этилен-пропилена, обладающего повышенной стойкостью к УФ-излучению. Однако под влиянием УФ-излучения этот слой становится хрупким и разрушающимся при термоциклировании. Стекла, легированные церием, поглощают УФ-излучение с λ<350мкм, и поэтому не нуждаются в отражающем фильтре.

Считают, что деградация современных СБ под воздействием ультрафиолетового излучения составляет не менее 2…8%.

Под воздействием факторов космического пространства изменяются оптические параметры терморегулирующих покрытий ФП и СБ. В ходе натуральных испытаний на КА STPP-72-I и «Скайлаб» установлено, что приращение коэффициента отражения Δεs по времени для фронтальной (S1) и тыльной (S2) подчиняется следующей зависимости:

Δεs1=C1t0,4;Δεs2=C2t0,36

Где C1 и C2 коэффициенты пропорциональности. Установлено, что за 60 месяцев полета Δεs увеличится на порядок (с 0,02 до 0,2). Деградацию, связанную с ухудшением теплофизических характеристик покрытий, изучали на спутнике OTS-2 (США).Испытания, проведенные на ГСО, показали, что совместное воздействие потока солнечного излучения и радиации приводит к снижению отражающей возможности покрытий и возрастанию степени их черноты. Предложена формула оценки изменения отражательной способности, полученная для описания антенны этого КА:

Εs=0,565(1-et+309/583)

В ходе испытаний установлено, что при деградации оптического покрытия температура увеличивается на 8…10˚C.

Световая или фотонная деградация отмечается только в фотопреобразователях, выполненных на кремнии, и проявляется в ухудшении параметров ФП под воздействием солнечного излучения. Результатом этого явления снижения чувствительности ФП в длинноволновой области, обусловленное уменьшением диффузной длинны и времени жизни не основных носителей заряда. Возможной причиной такого явления считают активацию и высвобождение точечных дефектов типа β-вакансий, захваченных краевой и винтовой дислокацией. Другое объяснение связано с процессом получения полупроводникового материала. Поскольку при безтигной зонной плавке в кремний входит кислород и углерод, деградацию можно объяснить влиянием этих примесей.

Заключение

Основным негативным воздействием космической радиации является создание дополнительных центров рекомбинации путём смещения атомов полупроводникового материала ФП в междоузлии. Наибольший эффект вызывают электроны с энергией 0,2…1,0 МэВ и протоны с энергией 4…40 МэВ. Наибольшая плотность частиц отмечена в радиационных поясах Земли. Протонная составляющая радиации поясов стабильна во времени. При этом пространственное распределение потоков протонов не совпадает с электронным. В итоге максимальная интенсивность протонов отмечена в зазоре между поясами, причём с ростом энергии этих частиц она смещается ближе к Земле.

Радиационную стойкость ФП можно повысить кварцевым стеклом, а также 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.

Но, с другой стороны, у кварцевого стекла ухудшаются оптические параметры под воздействием радиации, а добавка лития немного понижает КПД ФП. Таким образом, при выборе антирадиационной защиты приходится искать компромисс.

Таблицы

Список литературы

1) Н.В. Белан, К.В. Безручко, В.Б. Елисеев, В.В. Ковалевский, В.А. Летин, В.Н. Постаногов, А.Н. Федоровский, Бортовые энергосистемы аппаратов на основе солнечных и химических батарей, ч. 1., Харьковский авиационный институт, 1992 г.

2) А.М.Васильев, А.П. Ландсман, Полупроводниковые фотопреобразователи, М. изд-во «Советское радио», 1971 г.

[1] А.М.Васильев, А.П. Ландсман «Полупроводниковые фотопреобразователи» стр. 187.

[2] Н.В. Белан, К.В. Безручко «Бортовые энергосистемы аппаратов на основе солнечных и химических батарей» ч. 1 стр. 38.

[3] Н.В. Белан, К.В. Безручко «Бортовые энергосистемы аппаратов на основе солнечных и химических батарей» ч. 1 стр. 43.

[4] Н.В. Белан, К.В. Безручко «Бортовые энергосистемы аппаратов на основе солнечных и химических батарей» ч. 1 стр. 45.

[5] Н.В. Белан, К.В. Безручко «Бортовые энергосистемы аппаратов на основе солнечных и химических батарей» ч. 1 стр. 53.