Солнечная батарея состоит из множества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Это небольшие пластины, сделанные из полупроводниковых материалов. Их крепят на той части панели, которая обращена к светилу, и прикрывают защитным стеклом. Работа фотоэлементов основана на фотоэлектрическом эффекте, то есть электрический ток возникает в них под действием солнечного света. Вырабатываемая электроэнергия идёт на питание аппаратуры, систем жизнеобеспечения космического аппарата, а также на зарядку аккумуляторов.
Чаще всего фотоэлементы для солнечных батарей делают из кремния. Его запасы огромны, стоимость низкая, а технология изготовления пластин из него хорошо отработана. КПД кремниевых фотоэлементов не превышает 20 процентов.
Альтернативой кремнию служат соединения А3В5, между которыми возможен полупроводниковый гетеропереход. Главным образом это соединения на основе арсенида галлия. Гетеропереход представляет собой место сочленения двух различных по химическому составу полупроводников. Современные ФЭП делают с несколькими Р-N переходами, как правило тремя, поэтому их называют трехпереходными, а также трехкаскадными. В них одиночные фотоэлементы (каскады) располагают друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на верхний элемент, который поглощает фотоны с наибольшей энергией, то есть синий свет. Пропущенный верхним элементом свет проникает на следующий уровень и т.д. Поскольку многопереходные ФЭП работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше, чем у однопереходных, и составляет около 30 процентов. При этом фотоактивная толщина трехкаскадной структуры составляет всего 5–6 мкм.
У арсенид-галлиевых фотоэлементов есть еще несколько преимуществ перед кремниевыми. Например, вдвое большая устойчивость к высоким температурам. Это позволяет применять для них концентраторы солнечного излучения – линзы, которые фокусируют солнечный свет на рабочую поверхность. Кроме того, арсенид-галлиевые батареи обладают высокой радиационной стойкостью, поэтому их применяют на спутниках, работающих внутри радиационных поясов Земли или на пересекающих их орбитах.
Солнечные выпускники
В России солнечные батареи для космических аппаратов выпускают два предприятия: НПП «Квант» в Москве и ОАО «Сатурн» в Краснодаре. Если производство кремниевых панелей налажено полностью, то арсенид-галлиевые пока собирают из импортных фотоэлементов. Сейчас примерно 80 процентов всех выпускаемых солнечных батарей составляют кремниевые, но это соотношение скоро изменится, поскольку растет спрос на арсенид-галлиевые панели. Вот почему оба предприятия нацелены на создание собственных производств трехпереходных ФЭП и почти одновременно подали в Роснанотех заявки на финансовую поддержку своих проектов.
«Квант» – одно из старейших предприятий, работающих для космической отрасли, в этом году ему исполнилось 90 лет. Здесь произведено более 2000 солнечных батарей, в то числе для орбитальных станций «Салют», «Мир» и МКС, межпланетных аппаратов «Венера», «Марс», «Фобос», для космических аппаратов «КазСат», «Экспресс-АМ», «Глонасс-К», «Монитор-Э». Еще в 1967 году на «Кванте» изготовили арсенид-галлиевые солнечные батареи для «Венеры-4», в начале 1970-х - для «Луноходов», а позже для станции «Мир». Но это оказались разовые проекты, сделать промышленной технологию изготовления гетеропереходных ФЭП тогда не удалось, т.к. она требовала больших затрат. Только к 2000 году её удалось внедрить в промышленность, но уже не в нашей стране, а в США. Сегодня для создания собственного производства «Квант» разрабатывает современные арсенид-галлиевые фотоэлементы с тремя каскадами, каждый из которых формируется несколькими слоями различных полупроводников. На предприятии уже запущено оборудование для производства новых фотоэлементов, получены первые образцы. По плану их массовый выпуск должен начаться уже в конце 2009 года.
ОАО «Сатурн» гораздо моложе «Кванта» и до года входило в его состав. Здесь выпускали различные химические и физические источники тока, датчики, электрохимические генераторы. Первую солнечную батарею здесь изготовили в 1972 году для спутника «Циклон». По данным за 2007 год, продукцией краснодарского предприятия оснащены 13 процентов всех космических аппаратов в мире. Отечественный рынок солнечных батарей «Сатурн» с «Квантом» делят примерно поровну. «Кремниевые солнечные элементы достигли предела разумного совершенствования, незначительное улучшение характеристик требует неоправданно больших затрат. С другой стороны, космическая техника совершенствуется, что предъявляет более высокие требования как к мощности, так и к ресурсу солнечных батарей. В настоящее время только арсенид-галлиевые солнечные батареи могут удовлетворить этим требованиям», – считает генеральный директор предприятия Анатолий Скурский. У «Сатурна» также есть оригинальная разработка, позволяющая изготавливать трехкаскадные арсенид-галлиевые фотоэлементы, однако наблюдательный совет Роснанотеха одобрил проект «Кванта», о чем стало известно в июле этого года.
Как изготавливают трехкаскадные гетероструктуры
Быстрое внедрение гетероструктур в солнечную энергетику произошло после изобретения в 1980-х гг. в США метода газофазной эпитаксии. Теперь можно было легко управлять наращиванием пленок различных полупроводников. В эпитаксиальном реакторе в качестве несущего газа используется водород, в котором растворяются все необходимые элементы. Далее, изменяя давление и температуру в реакторе, на тончайшие пластинки из германия слой за слоем осаждают атомные слои различных полупроводников: арсенида галлия, индия-галлия-фосфора. Толщина наиболее важных слоев составляет 15–20 нм.
