Деградация солнечных элементов на базе пористого кремния

Ерофеев Алексей Сергеевич; Aleksey Sergeevich Erofeev; Шишкин Иван Александрович; Ivan Aleksandrovich Shishkin; Латухина Наталья Виленовна; Natalya Vilenovna Latukhina

Degradation of solar cells based on porous silicon

Authors: Erofeev A.S.¹, Shishkin I.A.¹, Latukhina N.V.¹
Affiliations:
1. Samara University
Issue: No 1 (16) (2020)
Pages: 267-272
Section: Physics
Published: 15.12.2020
URL: https://vmuis.ru/smus/article/view/9294
ID: 9294

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

In this paper, a comparative analysis of the operation of solar cells based on porous silicon was performed by Volt-Ampere characteristics and power drop. Telemetry received from THE AIST-2D ICA in the period from July 2016 to March 2019 was used for calculations. Graphically shows the VACH 14 elements, shows the gradual process of degradation in the natural environment of space. The elements are manufactured using special technologies, including the following surfaces: polished, textured, carbidized, as well as two types of anti-reflective coatings: ZnS and DyF₃. As a result of the experiment, the polished surface and DyF₃ proved to be the best, the porous layer significantly increases the service life of the solar cell.

Keywords

solar cells, radiation resistance, porous silicon, I-V characteristics, AIST-2D

Full Text

Характеристики фотоэлементов новой конструкции необходимы для понимания влияния воздействующих факторов космического пространства. Радиационная стойкость является принципиальным свойством наноструктурированных материалов. Под данным термином обычно понимают неизменность параметров материала или прибора при облучении определенным ионизирующим излучением. Препятствием для структурных нарушений в материале являются следующие факторы, а именно нанообъекты, которые медленно накапливают вводимые дефекты. Этим характеризуются нанопористые материалы. Так специалистами Самарского университета была выдвинута идея о применения пористого кремния в состав солнечных элементов как материала, устойчивого к механическим и климатическим воздействиям на этапе выведения и орбитального полёта малого космического аппарата АИСТ-2Д. Для проведения исследования было изготовлено 14 шт. экспериментальных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с различными покрытиями на рабочей поверхности и различной структурой. Все образцы солнечных элементов были изготовлены в процессе технологического цикла, который проходят кремниевые ФЭП традиционной конструкции. Основные операции цикла, кроме операций наноструктурирования, карбидизации и нанесения просветляющих покрытий, а именно ???????????? и ????????????₃, проводились на стандартном технологическом оборудовании. Для измерения температуры фотоэлементов были использованы датчики pt100 (100 Ом) – DIN EN 60751, установленные непосредственно под панелью с исследуемыми ФЭП.

Условия и методы исследования

С 2016 года ведётся анализ данных телеметрии, полученных с МКА «Аиста-2Д». Для ознакомления с образцами, которые были установлены на экспериментальную модель (рис. 1), ниже представлена табл. 1.

Данные приходили раз в несколько месяцев, в каждый пакет входили измерения с периодом 5 или 10 мин. При проведении расчётов выбирались значения при схожих условиях: время суток (освещённость), температура панели. В процессе работы была разработана программа для подсчёта параметров деградации (fil factor, мощность, КПД, U_xx, I_кз и др.).

Таблица 1

Описание солнечных элементов, вошедших в состав экспериментальной панели, установленной на МКА «АИСТ-2Д»

Номер на ЭБФ	Описание
1	Полированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
2	Полированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – DyF₃
3	Полированный кремний, просветляющее покрытие – ZnS (типовая технология)
4	Полированный кремний, просветляющее покрытие – DyF₃ (типовая технология)
5	Текстурированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
6	Полированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
7	Текстурированный кремний, просветляющее покрытие – ZnS
8	Текстурированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
9	Шлифованный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
10	Полированный кремний с пористым слоем, двухслойное просветляющее покрытие – ZnS + DyF₃
11	Шлифованный кремний, просветляющее покрытие – ZnS
12	Шлифованный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
13	Карбидизированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – ZnS
14	Карбидизированный кремний с пористым слоем, просветляющее покрытие – DyF₃

Рис. 1. Вид экспериментального образца БФ на МКА «АИСТ-2Д»

Результаты и их обсуждение

По командам, выдаваемым с наземного комплекса управления, с каждой пластины во время проведения эксперимента были определены телеметрические данные: температура, напряжение нагрузки и сила тока. По данным построены вольт-амперные характеристики каждой из 14-ти экспериментальных пластин для различных температур и рассчитаны их фотоэлектрические параметры. Проведённые исследования показали, что использование разработанных методик изготовления многослойных структур с пористым слоем позволяет создать фоточувствительные структуры с достаточно высокими фотоэлектрическими параметрами.

Так по результатам исследований были выбраны элементы с наилучшими эксплуатационными характеристиками. Фотоэлектри-ческие преобразователи с пористым слоем, в которых используются соединения редкоземельных элементов показали высокую устойчивость в условиях открытого космоса. Для сравнения были выбраны элементы с использованием полупроводникового соединения сульфида цинка, где разница состояла в том, что в одном случае использовался пористый слой, а в другом нет. Ниже представлены графики вольт-амперных (рис. 2) и вольт-ваттных (рис. 3) характеристик.

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики фотоэлектрических преобразователей: А– № 1, Б – № 3

Рис. 3. Вольт-ваттные характеристики фотоэлектрических преобразователей№ 1 (слева) и № 3 (справа)

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики фотоэлектрических преобразователей: А – № 2, Б – № 4

Рис. 5. Вольт-ваттные характеристики фотоэлектрических преобразователей № 2 (слева) и № 4 (справа)

Исследования показали, что для устойчивости солнечных элементов в экстремальных условиях мало нанесения просветляющего покрытия, также необходимо получение пористого слоя. Поскольку при электрохимическом травления полированная подложка приобретает эффект «чёрного кремния», что тем самым увеличивает площадь поглощения света, но и также сохраняет устойчивость при радиационном излучении. Это подтверждается данными, полученными с наземного центра управления.

Анализ характеристик образцов, которые выполнены с использованием диэлектрического материала фторида диспрозия (ФЭП № 2 и №4) показывает, что также характеристики зависят от наличия пористого слоя, который необходим для устойчивости характеристик (рис. 4 и 5). Можно сделать выводы, что пористый слой значительно влияет на радиационную стойкость образца, и просветляющее покрытие из DyF3 предпочтительнее, так как не имеет полупроводниковых свойств, как ZnS.

Рис. 6. Вольт-амперные (А) и вольт-ваттные (Б) характеристики фотоэлектрического преобразователя № 10

Рис. 7. Динамика мощности (в мВт) для 1 и 3 образца с 2016 по 2019 гг.

Рис. 8. Динамика мощности (в мВт) для 2 и 4 образца с 2016 по 2019 гг.

Анализ характеристик солнечного элемента с пористым слоем и двойным покрытием (ZnS+DyF3) (рис. 6) показывает, что на протяжении трёх лет сохраняется медленная деградация элемента порядка 5 % в год. Также были построены диаграммы показателей максимальной мощности для исследуемых образцов.

Как следует из рис. 7 и 8, в первые два года образцы № 1–4 деградируют сильнее всего. Дальше происходит постепенная потеря своих характеристик.

Заключение

Пористый слой благодаря своей структуре мешает накоплению дефектов на поверхности кремния и этим продлевает срок службы солнечного элемента. Покрытие DyF₃ показало себя лучше, чем ZnS. Полированная и текстурированная поверхность показала хорошую радиационную стойкость.