Солнечные элементы из арсенида галлия, устойчивые к радиации, для использования в космосе

Аккумуляторная батарея Trojan L16P-AC

Группа учёных из Кембриджского университета разработала метод крепления ультратонких солнечных элементов из арсенида галлия к боросиликатному стеклу без использования клея. Сообщается, что предложенный метод совместим со стандартной обработкой плоских устройств.

Группа исследователей под руководством Кембриджского университета в Великобритании разработала метод соединения ультратонких солнечных элементов из арсенида галлия (GaAs) с боросиликатным стеклом без использования клея. Этот метод, основанный на анодном соединении, обеспечивает более высокую удельную мощность для защиты от радиации во время космических полётов.

«Предыдущие авторы демонстрировали склеенные тонкие солнечные элементы с управлением световым потоком с помощью клея. Однако эти материалы не полностью совместимы со стандартной обработкой плоских устройств, — заявили исследователи. — Поэтому разработка метода склеивания ультратонких солнечных элементов III-V с подложками, имеющими одинаковый коэффициент теплового расширения (CTE), является ключевой задачей для будущего применения ультратонких солнечных элементов III-V в космосе».

Для создания своей ячейки команда начала с выращивания слоев GaAs с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) с последующим удалением их нативных оксидов. Помещая его на боросиликатное стекло, начинается процесс склеивания. Он выполняется в камере для склеивания, которая нагревается до 300 ° C при давлении около 105 Па. В этих условиях подается высокое напряжение до 500 В, в результате чего устройство приклеивается к стеклу.

«В качестве боросиликатного стекла использовалось D263 T eco от Schott, коэффициент теплового расширения которого составляет 7,20×10−6 К−1, что близко к показателю GaAs при повышенных температурах соединения. Было установлено, что такое соответствие коэффициентов теплового расширения необходимо для управления напряжением во время соединения», — объяснили исследователи. «Для первых попыток анодного соединения GaAs использовалось стекло Borofloat 33, коэффициент теплового расширения которого отличается от коэффициента теплового расширения GaAs. Это привело к значительному растрескиванию склеенного пакета при охлаждении до комнатной температуры, несмотря на использование относительно низких температур склеивания, которые сводят к минимуму тепловое расширение.

После завершения процесса соединения пластина для выращивания удаляется с помощью механической шлифовки и химического травления. Затем на контактный слой из арсенида галлия p-типа методом термического испарения наносится слой титана/золота. На участке за пределами мезоатомарной области наносится металлический кольцевой контакт из никеля, германия и золота. Такая структура обеспечивает комплексное управление световыми потоками для солнечных элементов, расположенных на подложке, над подложкой или на обеих сторонах подложки.

«В варианте со стеклом в качестве подложки коэффициент максимальной плотности мощности (Pmax) достигает 0,86 после воздействия электронов с энергией 1 МэВ и флюенсом 3,6 × 1016 см−2, что эквивалентно более чем 15 годам пребывания на геостационарной орбите (ГСО) и превышает показатели современных коммерческих космических солнечных батарей с тройным переходом», — показали результаты. «Плотность тока короткого замыкания (Jsc) ультратонких солнечных элементов на основе арсенида галлия с поглощающими слоями толщиной всего 80 нм может быть увеличена до 17,69 мА/см2 за счёт использования сплавов III-V с более широкой запрещённой зоной в качестве контактных и связующих слоёв, а также за счёт дальнейшего совершенствования передовых подходов к управлению светом для повышения эффективности преобразования энергии».

Кроме того, исследователи подчеркнули, что остаточные факторы Pmax как для ориентации подложки, так и для ориентации суперструктуры выше, чем у коммерческих солнечных элементов с тройным переходом для использования в космосе при облучении электронами с энергией 1 МэВ.

Их результаты были представлены в статье «Устойчивые к радиации ультратонкие солнечные элементы из арсенида галлия на стекле, перенесённые методом анодного соединения», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. Исследование провели учёные из Кембриджского университета в Великобритании, Японского национального института квантовой науки и технологий (QST), Университета Тохоку, Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и Городского университета Сандзё.