Обзор современных фотоэлектрических преобразователей космического назначения на основе соединений АIIIBV

Введение. Наиболее эффективным и проверенным в условиях длительной эксплуатации способом получения электричества из солнечной энергии сегодня является фотоэлектрический метод прямого преобразования. Он реализован в полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях (ФЭП), получивших в англоязычной литературе название solar cell (SC), т. е. солнечный элемент (СЭ). Из ФЭП формируется фотогенерирующая часть (ФГЧ) солнечных батарей (СБ). Уже почти шесть десятилетий, начиная с первых спутников Земли (третий советский искусственный спутник, запущенный 15 мая 1958 г., и американский спутник «Авангард», запущенный 17 марта 1958 г.), СБ являются основным первичным источником электроэнергии для большинства отечественных и зарубежных космических аппаратов (КА) [1; 2].

Идея использования фактически неисчерпаемого источника энергии – солнечного излучения, всегда была заманчивой. Однако только к середине XX столетия развитие науки и технологий, обеспеченное в нашей стране работами коллективов под руководством А. Ф. Иоффе (ЛФТИ, г. Ленинград), Н. С. Ли-доренко (Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (ВНИИТ), г. Москва), С. И. Вавилова (ФИАН, г. Москва), привело к возможности ее эффективной практической реализации. Интенсификация работ в этом направлении была связана с поиском оптимального источника питания для КА. Именно в космосе, где, с одной стороны, нет экранирующего солнечный свет слоя атмосферы, а с другой – использование прочих привычных генераторов электричества крайне затруднено или невозможно, применение СБ в комплексе с химическими накопителями оказалось оптимальным решением.

Опыт разработки и эксплуатации КА выявил целый ряд опасных факторов космического пространства. Поскольку ФЭП в составе ФГЧ СБ – одни из немногих приборов на борту космических аппаратов, практически напрямую контактирующих с открытым космосом и непосредственно подверженных воздействию всех факторов космического пространства, то помимо увеличения энергетических и удельных характеристик ФЭП стала крайне актуальной задача по модифицированию их структуры, созданию защиты и разработке более стойких ФЭП. Обширные исследования по улучшению свойств ФЭП и СБ привели, во-первых, к появлению защитных покрытий (стекол) на поверхности кремниевых ФЭП и, во-вторых, к применению новых материалов полупроводниковой структуры ФЭП – материалов AIIIBV (арсенид галлия (GaAs) и твердые растворы на его основе: арсенид-алюминия–галлия (AlGaAs), арсенид индия – галлия (InGaAs) и др.). Так, почти повсеместный переход от использования в СБ для космоса кремниевых ФЭП к современным каскадным ФЭП на основе материалов AIIIBV привел к значительному увеличению срока службы СБ (с 10 до 15 лет и более) на орбитах с высоким радиационном воздействием [3]. В ретроспективе изменения эффективности ФЭП космического назначения, связанные с изменениями технологии, конструкции и материалов, представлены на рис. 1.

Первые в мире GaAs СБ площадью около 1 м2 были разработаны и изготовлены во ВНИИТ (одно из прежних наименований АО «НПП «Квант») из однокаскадных ФЭП и использовались на автоматической межпланетной станции «Венера-4», запущенной 12 июня 1967 г. Однокаскадные GaAs ФЭП, изготовленные по диффузионной технологии, были совместной разработкой ФТИ им. А. Ф. Иоффе и ВНИИТ. Применение именно GaAs ФЭП в СБ станции «Венера-4» было обусловлено необходимостью работы при высоких температурах (~ 120 °С) для заряда блока химических батарей спускаемого аппарата непосредственно перед началом его спуска на поверхность планеты, тогда как кремниевые ФЭП при таких температурах работать не могут. Эта же причина побудила использовать GaAs ФЭП в составе СБ первых автоматических передвижных лабораторий «Луноход-1» и «Луноход-2» (запуск – 10 ноября 1970 г. и 8 января 1973 г.). Площадь СБ на крышке аппарата – 3,5 м2, а средняя вырабатываемая мощность, составлявшая 180 Вт, шла на подзарядку серебряно-кадмиевых аккумуляторных батарей ёмкостью 200 А·ч [2; 4].

Дальнейшее развитие ФЭП было связано с совершенствованием технологии получения полупроводниковых материалов, синтеза широкого класса новых материалов высокой степени чистоты, получения качественных гетеропереходов на основе соединений AIIIBV, глубокого изучения физических процессов в полупроводниках. Эти работы позволили создать методом жидкофазной эпитаксии гетероструктурные однокаскадные AlGaAs (широкозонное окно) / GaAs (фотоактивная область) ФЭП. В таких ФЭП удалось сформировать бездефектную гетерограницу и обеспечить идеальные условия для фотогенерации электронно-дырочных пар и их собирания p - n -переходом. Эти ФЭП обладают более высокой радиационной стойкостью, благодаря чему они успешно эксплуатировались в составе СБ на орбитальной станции «Мир» [2; 5], где СБ была подвержена помимо основных факторов космического пространства еще и длительному воздействию собственной атмосферы станции и воздействию двигателей стыкующихся кораблей. Суммарная средняя деградация характеристик Al-GaAs / GaAs СБ составила не более 3,5 % в год [2; 4].

Дальнейшее развитие технологий привело к появлению гетероструктурных ФЭП. Такие ФЭП сохранили высокие характеристики однокаскадных структур на основе арсенида галлия (температурный режим работы, радиационная стойкость). Сначала это были арсенид-галлиевые элементы на инородной, но более тонкой и прочной германиевой подложке. Технология их изготовления существенно отличалась от жидкофазной эпитаксии, а именно, эпитаксиальный рост проводился в газофазном реакторе. Газофазные технологии дали новый импульс к развитию тонкослойных прецизионно легированных многослойных гетероструктур. Результатом реализации такого технологического решения стало создание двух и впоследствии трехкаскадных ФЭП, наиболее полно и эффективно преобразующих солнечный спектр. Как видно из рис. 1, эффективность трехкаскадных ФЭП возрос- ла в два раза по сравнению с однокаскадными ФЭП и имеет перспективы по дальнейшему росту.

В настоящее время трехкаскадные ФЭП имеют сложившуюся принципиальную конструкцию, изображение которой приведено на рис. 2. Конструкция современного ФЭП включает полупроводниковую структуру InGaP / InGaAs / Ge [6], сплошную тыльную и гребенчатую лицевую контактную структуру, просветляющее (антиотражающее) защитное покрытие.

Полупроводниковая структура современных ФЭП на основе соединений AIIIBV. Принципиально структура современных ФЭП на основе соединений AIIIBV состоит из трех каскадов InGaP / InGaAs / Ge, скоммутированных между собой туннельными дио- дами. Полупроводниковая структура InGaP и InGaAs каскадов создается эпитаксиальным способом на Ge-подложке, в Ge в процессе эпитаксиального роста диффузионно формируется нижний каскад. В процессе роста буферного слоя происходит вывод параметров на контролируемый рост.

База и эмиттер в каждом из каскадов являются активными слоями структуры и образуют p - n -переход. Названия генерирующих слоев ФЭП – база (слой p -типа проводимости) и эмиттер ( n -тип) – пришли и закрепились из иностранной литературы по аналогии со слоями в полупроводниковых транзисторах, однако они не в полной мере отражают суть происходящих в слоях ФЭП физических процессов. В этих слоях происходит генерация и собирание носителей заряда.

Рис. 1. Развитие элементной базы СБ космической фотоэнергетики (по данным АО «НПП «Квант»)

• Fig. 1.    Development of the elemental base of solar cells for space photovoltaics (according to the data of JSC “RPE “Kvant”)

  

  |р««бра»вамке

  
  

  p-а передо

  (- 0 ■«'О ам)

  ТыаныП мраер

  Т>*н«емсмА nvpnxij

  рвперено»

  laGi? каскад врс»6раыазн1

  Мгтагвпееил! 1<4<тагт

  Ширбеоюмиее лемо

  

  Т>ммелюхА гирям

  Ь-.^гриы< гх*

  1-2 мкм«

  • bGaP

  pGb\» wV>-*i

  
  
  
  
  
  
  

  йе мкамиЛ мемла

  
  
  
  
  

  А< Au axMiaai

  
  

Рис. 2. Схематическое изображение трёхкаскадного гетероструктурного InGaP / InGaAs / Ge ФЭП [7]

• Fig. 2.    Schematic representation of the triple InGaP / InGaAs / Ge solar cell [7]

Широкозонное окно в верхнем и среднем каскаде препятствует поверхностной рекомбинации носителей заряда за счет создания потенциального барьера.

Защитный высоколегированный слой используется для создания омического контакта, а также защищает слой широкозонного окна от проникновения кислорода.

Применяемые для коммутации каскадов ( p - n -переходов) туннельные диоды представляют собой обратно включенные к основной генерирующей структуре p - n -переходы, сформированные слоями с высоким уровнем легирования, соответствующим состоянию вырождения полупроводника. Буферные слои толщиной около 2 мкм – это переходные слои, задерживающие примеси.

Полупроводниковая структура, несмотря на многообразие материалов, присутствующих в ней, представляет собой единый с Ge-подложкой монокристалл. Такой эффект достигается за счет прецизионного соответствия параметров решетки материалов трехкаскадного ФЭП, задаваемых и контролируемых в процессе эпитаксиального роста с использованием металлорганических и гидридных соединений (МОС ГФЭ). Другими словами, для получения такого сложного полупроводникового эпитаксиального монокристалла соотношение компонентов в трехкомпонентных соединениях должно быть таково: In 0,49 Ga 0,51 P, In 0,01 Ga 0,99 As. При этом с точностью до 0,01 % [7] достигается совпадение параметров решетки осаждаемых слоев с параметром решетки монокристаллической Ge-подложки (а_Ge = 5,658 Å [8]), как показано на рис. 3. В то же время, за счет различных значений ширины запрещенной зоны (∆ E g ) материалов каскадов: у In 0,49 Ga 0,51 P ∆ E g = 1,9 эВ [9], у In 0,01 Ga 0,99 As ∆ E g = 1,41 эВ [8; 9], у Ge ∆ E g = 0,66 эВ [8; 9] (см. рис. 3), трехкаскадные ФЭП способны преобразовывать излучение в достаточно большом интервале длин волн [3]. Так In 0,49 Ga 0,51 P поглощает фотоны в диапазоне длин волн от 0 до 670 нм, In 0,01 Ga 0,99 As – в диапазоне длин волн от 670 до 900 нм и Ge – все фотоны от 900 до 1900 нм [9]. Эффективность преобразования солнечного излучения промышленно выпускаемых образцов таких ФЭП сейчас находится в пределах 26–30 %.

Создание такой сложной полупроводниковой структуры в промышленном производстве реализовано методом МОСГФЭ. В основе данного метода лежат процессы переноса осаждаемых материалов в виде летучих соединений к поверхности подложки, на которой происходит разложение этих соединений с выделением необходимо продукта. МОСГФЭ-метод позволяет получать тонкие гомо- и гетерослои с заданным стехиометрическим составом и уровнем легирования. В сравнении с другими методами эпитаксии – жидкофазной и молекулярно-лучевой, метод МОСГФЭ отличается высокой производительностью (скорость роста до 2000 Å/мин) в совокупности с достаточной точностью (по составу основных материалов, толщинам, распределению легирующих примесей в слоях). Современная реализация метода МОСГФЭ с применением металлорганических и гид-ридных источников элементов третьей (Ga, Al, In) и пятой (As, P) групп периодической системы хими- ческих элементов позволяет использовать преимущества этого метода в совокупности с возможностью проведения роста всей полупроводниковой структуры за один непрерывный процесс при сравнительно низкой температуре (650 ºС).

Рис. 3. Ширина запрещенной зоны в зависимости от параметра решетки Si, Ge, соединений AIIIBV и их твердых растворов [4]

Fig. 3. Width of band gap, depending on the lattice parameter of Si, Ge, compounds of AIIIBV and their solid solutions [4]

Следует отметить, что фактически все основные свойства прибора закладываются на, пожалуй, самой сложной, многофакторной стадии его создания – стадии роста полупроводниковой структуры [10]. Последующие операции (создание контактной структуры, просветляющего покрытия, создание габаритных размеров, маркировка, измерение выходных электрических характеристик и т. д.) не должны снизить эти заложенные структурой свойства, что в целом требует достаточно сложной технологии и несколько замедляет промышленную реализацию и последующее развитие новых конструкций.

Влияние космической радиации на свойства каскадных ФЭП на основе соединений АIIIBV. Каскадные InGaP / InGaAs / Ge ФЭП в силу физических свойств являются более стойкими к деградации параметров под воздействием космической радиации по сравнению с Si ФЭП. Однако конструкция InGaP / InGaAs / Ge ФЭП не является оптимальной с точки зрения спектрального распределения фотонов. Данное несоответствие обусловлено требованием строгого согласования по параметру решетки осаждаемых полупроводниковых материалов в процессе эпитаксиального роста (см. рис. 3). Действительно, как можно увидеть на рис. 4, на средний InGaAs-каскад приходится минимальный рабочий диапазон длин волн, это приводит к тому, что InGaAs-каскад генерирует наименьшую плотность тока – 16,58 мА/см² [9] в спектре АМ0 по сравнению с 22,43 мА/см ² и 37,08 мА/см² [9], генерируемыми InGaP- и Ge-переходами. Это обстоятельство является критичным в силу последовательного соединения каскадов в структуре трехкаскадного ФЭП (см. рис. 2), из-за чего ток всего ФЭП ограничен минимальным током, генерируемым средним InGaAs-каскадом.

Рис. 4. Пояснение механизма образования характеристик «плотность тока – напряжение» в InGaP / InGaAs / Ge ФЭП

Fig. 4. Interpretation of mechanism of formation of characteristics of current density–voltage in InGaP / InGaAs / Ge solar cell

При эксплуатации СБ в космосе ФЭП, установленные в ее генерирующей части, подвергаются воздействию практически всех факторов космического пространства: радиации, потоков заряженных частиц высокой энергии, твердых частиц естественного и искусственного происхождения, плазмы, электромагнитного излучения Солнца, резких температурных перепадов, а также продуктов работы реактивных двигателей разных типов. Все это может приводить в результате различных деградационных процессов к существенному ухудшению характеристик ФЭП и СБ в целом.

Наиболее значимым из перечисленных факторов, определяющих длительность работы СБ в космосе, является радиация. Воздействие радиационного облучения оказывает влияние на физические параметры ФЭП, определяющие эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Так, воздействие радиации приводит к образованию в запрещенной зоне полупроводникового материала ФЭП локальных уровней, обусловленных введенными в результате облучения дефектами, что приводит к снижению времени жизни носителей заряда. Как правило, данный параметр изменяется в несколько раз при таких дозах облучения, для которых изменение других характеристик оказывается пренебрежимо малым [11].

Для каскадных ФЭП возникает дополнительная проблема – различная скорость радиационной деградации фототока в каскадах, что еще более ухудшает согласование токов каскадов и отрицательно сказывается на выходных характеристиках трехкаскадных InGaP / InGaAs / Ge ФЭП (рис. 5).

В работе [12] проведено моделирование радиационного повреждения трехкаскадного ФЭП при воздействии на него электронами с энергией 1 МэВ, так как электроны высоких энергий являются основным повреждающим фактором на геосинхронных орбитах. Авторами работы показано, что вследствие такого воздействия происходит уменьшение диффузионных длин неосновных носителей заряда и снижение фототока и напряжения холостого хода. Проведенный расчет для диапазона доз облучения от нуля до 3·10¹⁵ см^–2 (табл. 1) показал, что наибольшей деградации подвержен InGaAs-каскад, особенно его p -область: снижение диффузионной длины неосновных носителей заряда оказалось наиболее существенным – с 7 мкм до облучения до 1,31 мкм после облучения.

База р -InGaAs трехкаскадного ФЭП является самым толстым генерирующим эпитаксиальным слоем всего прибора, это обусловлено особенностями собирания сгенерированных носителей заряда в слое. Так, до облучения при толщине p -InGaAs базы в 4 мкм достигается близкое к 100 % собирание носителей заряда, однако в дальнейшем из-за облучения диффузионная длина неосновных носителей заряда снижается вследствие их рекомбинации на радиационных дефектах, соответственно, снижается и фототок (рис. 5). При этом обнаружено, что максимум фототока достигается при меньшей толщине базы InGaAs-каскада, но снижение толщины InGaAs базовой области увеличивает количество непоглощенных длинноволновых фотонов [12].

Увеличение доли поглощенных длинноволновых фотонов в тонкой базе может быть достигнуто путем применения в структуре ФЭП распределенного брэгговского отражателя (РБО) [12–14], представляющего собой структуру с периодически изменяющимся в пространстве показателем преломления и позволяющего за счет этого создавать разрешенные и запрещенные энергетические зоны для фотонов [15]. Основное предназначение РБО в структуре InGaP / InGaAs / Ge ФЭП – возврат части длинноволнового излучения в фотоактивные слои, в частности, в p -InGaAs слой.

Таблица 1

Расчетные значения диффузионных длин неосновных носителей заряда в фотоактивных слоях ФЭП на основе InGaP / InGaAs / Ge [12]

Слой	Диффузионная длина неосновных носителей заряда, мкм
	До облучения	После облучения
		Доза облучения 1015, см–2	Доза облучения 3·1015, см–2
n -InGaP	–	0,05	–
p -InGaP	2,0	1,76	1,46
n -InGaAs	0,3	0,28	0,25
p -InGaAs	7,0	2,21	1,31
n -Ge	–	0,50	–
p -Ge	50,0	49,10	47,40

Рис. 5. Относительная доля фототока, генерируемого в InGaAs-каскаде трехкаскадного InGaP / InGaAs / Ge ФЭП без РБО до облучения ( 1 ) и после облучения электронами с энергией 1 МэВ дозой 10¹⁵ см^–2 ( 2 ) и дозой 3·10¹⁵ см^–2 ( 3 ) [15]

Fig. 5. Relative fraction of the photocurrent generated in the InGaAs junction of a triple junction InGaP / InGaAs / Ge solar cell without Bragg reflector before irradiation ( 1 ) and after irradiation with electrons of 1 MeV in a dose of 10¹⁵ см^–2 ( 2 ) and a dose of 3·10¹⁵ см^–2( 3 ) [15]

На сегодняшний день ведущие мировые производители ФЭП космического назначения разработали и выпускают модификации трехкаскадных InGaP / In-GaAs / Ge ФЭП с повышенной радиационной стойкостью. Есть основания полагать, что повышение радиационной стойкости достигнуто благодаря встраиванию РБО в полупроводниковую структуру ФЭП.

Контактная структура ФЭП. Контактная структура ФЭП состоит из токосъемных полосок контактной сетки, главного контакта и токосъемных площадок. Материалами для контактной сетки могут быть лишь металлы, обладающие хорошей адгезией и имеющие низкое сопротивление при протекании тока (высокую электропроводность), такие как Ag, Au, Ni, Ti, Pd, однако невозможно найти металл, обладающий одновременно этими двумя свойствами, поэтому применяется многослойная система контактов. Контактные площадки при этом должны быть приспособлены к последующей коммутации ФЭП при сборке СБ. Геометрические размеры контактной сетки рассчитываются применительно к конкретной конструкции ФЭП (ширина полоски собирающей гребенки 3–10 мкм), они должны обеспечивать минимально возможное затенение фотоактивной площади (для преобразования слабоконцентрированного излучения потери на затенение должны составлять не более 5 %, а для сильноконцентрированного – от 5 до 15 % [16]) и минимально возможное сопротивление при прохождении по этим контактным полоскам тока, собранного с генерирующей полупроводниковой структуры ФЭП [17]. Важным является наличие высоколегированного n+-слоя в конструкции ФЭП для получения минимального переходного сопротивления «металл– полупроводник». Толщина контактов определяется проводимостью контакта металл–полупроводник и площадью соприкосновения. Для создания контактной структуры с рисунком гребенчатой контактной сетки на фотоактивной стороне и с толщинным про- филем 4–8 мкм применяется «взрывная» фотолитография с последующим нанесением металлического покрытия методом термовакуумного распыления металлов.

Просветляющее (антиотражающее) покрытие ФЭП. Просветляющее (антиотражающее) покрытие (АОП) ФЭП служит для минимизации отражения от поверхности, что позволяет обеспечить более высокий фототок, а следовательно, повысить эффективность прибора. Вообще, первое просветляющее покрытие было разработано Фраунгофером в 1817 г. Однако долгие годы данная технология оставалась в тени [18]. Первый солнечный элемент, представленный в 1954 г., был без АОП. Начиная с 1964 г., для кремниевых ФЭП отечественного производства начали применять АОП на основе ZnS.

В настоящее время для ФЭП применяются одно-, двух- и трехслойные покрытия: чем больше количество слоев, тем на более широком диапазоне спектра можно минимизировать отражение. Однако увеличение количества слоев влечет за собой значительное усложнение технологии. Материалы для АОП подбирают с учетом их физических свойств, таких как показатель преломления, адгезия и химическая стойкость. Таким образом, в зависимости от спектрального диапазона, в котором ФЭП имеет максимальную чувствительность, подбирают необходимое количество слоев АОП и его материалы.

Основными материалами для АОП являются ZnS, TiO 2 и CeO 2 – в качестве материалов с высоким показателем преломления и MgF 2 , Al 2 O 3 и SiO 2 – с низким показателем [19]. Согласно последним данным, для трёхкаскадных ФЭП на основе арсенида галлия используются двухслойные АОП из оксидов титана TiO₂ / TiO _x и алюминия Al₂O₃ [20], а также оксидов тантала Ta₂O₅ и кремния SiO₂ / SiO _х [21], формируемые методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Толщины слоев составляют примерно 40–70 нм.

Обзор промышленно выпускаемых трехкаскадных фотоэлектрических преобразователей космического назначения на основе соединений АIIIBV. Промышленное (серийное) производство трехкаскадных ФЭП на основе соединений InGaP / InGaAs / Ge, применяемых в фотогенериующей части СБ большинства современных КА, на текущий момент времени осуществляется следующими зарубежными компаниями: SolAero Technologies Corp (США), Spectrolab Inc (США), AZUR SPACE Solar Power GmbH (Германия), CESI SpA (Италия).

В России производство трехкаскадных ФЭП было освоено сравнительно недавно в двух компаниях: АО «НПП «Квант», г. Москва, и ПАО «Сатурн», г. Краснодар, история создания которых связана с ВНИИТ и Научно-производственным объединением «Квант».

Продукция каждого из указанных производителей обладает рядом характерных особенностей технического характера, что, однако, не несет существенного различия в конструкции полупроводниковой фотогенерирующей части.

Основные электрические характеристики для различных типов ФЭП каждого из выше представленных производителей сведены в табл. 2, это: I кз – ток короткого замыкания, мА/см²; I ( P м ) 0 – ток в точке максимальной мощности, мА/см²; I нагр – ток в точке оптимальной нагрузки, мА/см²; U xx – напряжение холостого хода, В; U ( P _м)₀ – напряжение в точке максимальной мощности, В; U _нагр – напряжение в точке оптимальной нагрузки, В; FF – фактор заполнения, %; КПД – коэффициент полезного действия, или эффективность преобразования космического солнечного спектра АМ0; КПД нагр – коэффициент полезного действия при АМ0 в точке оптимальной нагрузки.

Рассмотрим ФЭП наиболее распространенного типоразмера площадью ~ 30 см² (рис. 6). Мультикаскад-ные ФЭП, производимые американской компанией Spectrolab Inc., входящей в американский концерн Boeing, являющийся одним из крупнейших мировых производителей авиационной, космической и военной техники, представлены следующими типами: Improved Triple Junction Solar Cells (ITJ) – площадь до 31 см², КПД – 26,8 %, со встроенным Si-диодом, внешний вид изображен на рис. 6, а [22]; Ultra Triple Junction Solar Cells (UTJ) и NeXt Triple Junction Solar Cells (XTJ), площадью 26,62 см², аналогичные по внешнему виду, показаны на рис. 6, б [22], отличающиеся только значением эффективности: UTJ – 28,3 %, XTJ – 29,5 %.

Американская компания SolAero Technologies Corp выпускает трехкаскадные ФЭП различных модификаций, оптимизированных для различных условий эксплуатации или в различных коммутационных схемах СБ. В частности, разработаны ФЭП для низких орбит (ZTJ-Ω) с КПД 30,2 %, ФЭП с повышенной радиационной стойкостью (ZTJ+) с КПД 29,4 % и др. Все типы ФЭП конструктивно представляют собой InGaP / InGaAs / Ge полупроводниковую конструкцию площадью 26–30 см2 и внешне не имеют заметных различий, приводятся на рис. 6, в [23]. Также компания SolAero Technologies Corp предлагает ФЭП со встроенным диодом (ZTJM), КПД 29,0 %, внешний вид которого изображен на рис. 6, г [23].

У немецкой компании Azur Space Solar Power GmbH, также занимающейся серийным изготовлением трехкаскадных ФЭП, ассортимент продукции представлен несколькими типами ФЭП площадью 30,18 см². Внешний вид ФЭП с КПД 28 % (3G28C) со встроенным диодом приведен на рис. 6, д [24]; с КПД 30 % (3G30С) со встроенным диодом – на рис. 6, е [24]. ФЭП 3G30С без диода с толщинами 150 и 80 мкм имеют похожий внешний вид, изображенный на рис. 6, ж [24].

Другой европейский производитель – итальянская компания CESI SpA – производит ФЭП типа CTJ30 площадью 26–30 см² с КПД 29,5 %. Внешний вид ФЭП приведен на рис. 6, з [25].

Одним из российских производителей ФЭП является ПАО «Сатурн», предоставляющее различные конструктивно технологические модификации ФЭП со встроенным диодом со средним значением КПД 28 %. Внешний вид ФЭП производства ПАО «Сатурн» изображен на рис. 6, и [26].

Другим российским производителем трехкаскадных InGaP / InGaAs / Ge ФЭП без встроенного диодного модуля является АО «НПП «Квант». Внешний вид ФЭП, произведенных в АО «НПП «Квант», представлен на рис. 6, к . КПД серийно выпускаемых образцов трехкаскадных ФЭП по данным 2017 г. в среднем составляет 28,4 %. Кроме того, в АО «НПП «Квант» проведены работы по разработке опытной технологии изготовления трехкаскадных ФЭП с улучшенными энергомассовыми характеристиками. Получены экспериментальные образцы со следующими характеристиками: масса ФЭП ~ 1,65–1,7 г, толщина ~ 100 мкм, J кз ~ 17,5 мА/см², U хх ~ 2,6 В, КПД ~ 27,5 % [6]. Применение таких ФЭП дает выигрыш в удельных энергомассовых характеристиках, имеющих особенное значение для энергетических систем КА. Однако для обеспечения необходимых механических характеристик при использовании утоненных ФЭП в составе БС требуется применение облегченных жестких каркасов типа сотовых панелей.

В настоящее время производится проработка нового конструкционного решения в части увеличения полезной площади ФГЧ, а именно, в части создания ФЭП с увеличенными габаритными параметрами для использования таких ФЭП в СБ перспективных КА. Использование ФЭП с увеличенной площадью ФГЧ (общая площадь ФЭП > 50 см2) в сравнении с ФЭП стандартного размера (~ 30 см2) позволит увеличить долю полезной (рабочей, генерирующей) площади СБ (рис. 7). Применение подобных ФЭП будет способствовать уменьшению массы СБ за счет снижения удельной массы коммутационной части, а также увеличению скорости и снижению стоимости сборки за счет сокращения количества сборочных операций. Однако при вариации габаритных размеров ФЭП следует учитывать фактор заполнения ФГЧ СБ. Внешний вид ФЭП модификации XTJ с КПД 29,5 % и внешне аналогичный UTJ с КПД 28,3 %, оба площадью 59,65 см2, изготовленные в Spectrolab Inc., показаны на рис. 7, а [22]. Также компания SolAero Technolo- gies Corp предлагает потребителям ФЭП с увеличенной площадью модификации ZTJ, изображенный на рис. 7, б [23]. Дополнительно этим производителем предлагаются ФЭП площадью ~ 60–65 см2 типов ZTJ+ и ZTJ-Ω. Компания Azur Space Solar Power GmbH производит ФЭП площадью 60,36 см2 типа 3G30С, внешний вид которого приведен на рис. 7, в [24].

В настоящее время в АО «НПП «Квант» ведутся работы в направлении разработки ФЭП с площадью > 50 см2.

Также иностранные производители предлагают ФЭП с увеличенной площадью ФГЧ, изготовленные на подложках большего диаметра (стандартный диаметр Ge-подложек, применяемых при эпитаксиальном росте трехкаскадных ФЭП на основе соединений АIIIВV, равен 100 мм) (рис. 8). Внешний вид образца XTJ Prime компании Spectrolab Inc. площадью ~ 70–80 см², толщиной 80–225 мкм, с КПД 30,7 % представлен на рис. 8, a [22].

б                                    в

а

д

ж

к

Рис. 6. ФЭП различных производителей типоразмера ~ 30 см2:

а , б – Spectrolab Inc.; в , г – SolAero Technologies Corp; д–ж – Azur Space Solar Power GmbH; з – Cesi SpA; и – ПАО «Сатурн»; к – АО «НПП «Квант»

Fig. 6. Solar cell different manufacturers area ~ 30 cm2:

• a , b – Spectrolab Inc.; c , d – SolAero Technologies Corp; e–g – Azur Space Solar Power GmbH; h – Cesi SpA; i – PJSC ”Saturn”; j – JSC “RPE “Kvant”

  

  а

  
  
  

  б

  в

  Рис. 7. ФЭП различных производителей с увеличенной площадью ФГЧ ~ 50 см²: а – Spectrolab Inc.; б – SolAero Technologies Corp; в – Azur Space Solar Power GmbH

  
  

Fig. 7. Solar cell different manufacturers with increased area ~ 50 cm²: a – Spectrolab Inc.; b – SolAero Technologies Corp; с – Azur Space Solar Power GmbH

Основные характеристики различных типов трехкаскадных ФЭП на основе соединений InGaP / InGaAs / Ge

Таблица 2

Наименование	Основные электрические параметры									Радиационная деградация									Доп. информация
	I кз , мА/см2	I ( P м ) 0 , мА/см2	I нагр , мА/см2	U xx , В	U ( P м ) 0 , В	U нагр , В	FF	КПД нагр , %	КПД, %	1·1014			5·1014			1·1015
										I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0	I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0	I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0
Spectrolab Inc, (США)											22]
ITJ Solar Cells 1	16,90	16,00	16,10	2,57	2,27	2,23	0,84	26,5	26,8	1,00	0,94	0,94	0,98	0,90	0,88	0,96	0,88	0,84	AM0 (135,3 mW/cm²) 28 °C, Fluence 1MeV Elec-trons/cm2
UTJ Solar Cells (<32 cm2) 1	17,05	16,30	16,40	2,66	2,35	2,31	0,85	28,0	28,3	0,99	0,94	0,93	0,98	0,91	0,89	0,96	0,89	0,86
UTJ Solar Cells (>50 cm2) 2	17,05	16,30	16,40	2,66	2,30	2,27	0,83	27,5	27,6	0,99	0,94	0,93	0,98	0,91	0,89	0,96	0,89	0,86
XTJ Solar Cells 1, 2	17,76	17,02	17,14	2,63	2,35	2,31	0,85	29,3	29,5	1,00	0,94	0,95	0,99	0,91	0,90	0,95	0,89	0,85
XTJ Prime 3	18,10	17,40	–	2,72	2,39	–	–	–	30,7	–	–	–	0,99	0,89	–	0,97	0,87	–
SolAero Technologies, Corp,(США) [23]
ATJM (ATJ) Space Solar Cell 1	17,10	16,20	–	2,60	2,30	–	–	–	27,5	1,00	0,96	0,96	0,96	0,92	0,89	0,94	0,90	0,85	AMO (135,3 mW/cm2) 28 °C Radiation Performance at 1 MeV Electron Irradiation
BTJ Space Solar Cell 1	17,10	16,30	–	2,70	2,37	–	–	–	28,5	1,00	0,97	0,97	0,96	0,92	0,89	0,94	0,90	0,85
ZTJ+Space Solar Cell 1, 2, 3	17,11	16,65	–	2,69	2,39	–	–	–	29,4	–	–	–	0,99	0,92	0,91	0,97	0,90	0,87
ZTJ Space Solar Cell 1, 2, 3	17,40	16,50	–	2,73	2,41	–	–	–	29,5	0,99	0,97	0,96	0,96	0,93	0,90	0,94	0,91	0,85
ZTJM Space Solar Cell 1	17,10	16,50	–	2,72	2,38	–	–	–	29,0	0,99	0,97	0,96	0,96	0,93	0,90	0,94	0,91	0,85
ZTJ-Ω Space Solar Cell 1, 2, 3	17,41	16,80	–	2,73	2,43	–	–	–	30,2	–	–	–	–	–	–	–	–	–
Azur Space Solar Power Gmbh (Германия) [24]
TJ Solar Cell 3G30C – Advanced Grid system with 2 contact pads 1	17,24	16,71	16,73	2,70	2,41	2,35			29,5				0,99	0,95	0,94	0,96	0,93	0,90	AMO (1367 W/m2) 28 °C Fluence 1MeV Electrons/cm2
TJ Solar Cell 3G30C – Advanced (large area 120 mm × 60 mm) 3	17,25	16,68	16,75	2,70	2,41	2,35			29,4				0,99	0,95	0,94	0,97	0,93	0,90
TJ Solar Cell 3G30C – Advanced (large area 80 mm × 80 mm) 2	17,25	16,68	16,73	2,70	2,41	2,35			29,4				0,99	0,95	0,94	0,97	0,93	0,90

Окончание табл. 2

Наименование	Основные электрические параметры									Радиационная деградация									Доп. информация
	I кз , мА/см2	I ( P м ) 0 , мА/см2	I нагр , мА/см2	U xx , В	U ( P м ) 0 , В	U нагр , В	FF	КПД нагр , %	КПД, %	1·1014			5·1014			1·1015
										I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0	I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0	I ( P м )/ I ( P м ) 0	U ( P м )/ U ( P м ) 0	P м / P м0
TJ Solar Cell 3G30C – Advanced Grid system with 3 contact pads 1	17,24	16,71	16,73	2,70	2,41	2,35	–	–	29,8	–	–	–	0,99	0,93	0,94	0,96	0,93	0,90
TJ Solar Cell 3G28C 1	16,77	16,14	16,07	2,67	2,37	2,30	–	–	28,0	–	–	–	0,97	0,94	0,91	0,94	0,93	0,87
Cesi SpA (Италия) [25]
CTJ30 (area 26,5 cm2) 1	17,85	17,17	–	2,60	2,32	–	–	–	29,5	0,99	0,98	0,97	0,96	0,95	0,91	0,91	0,93	0,84	AM0 30 °C
CTJ30 (area 30,15 cm2) 1	17,84	17,15	–	2,61	2,33	–	–	–	29,5	0,99	0,98	0,97	0,96	0,95	0,91	0,91	0,93	0,84	AM0 30 °C
ПАО «Сатурн» (Российская Федерация)												[26]
ФЭП 1	16,80	16,10	–	2,67	2,37	–	–	–	28,0	–	–	–	0,95	0,94	0,92	0,94	0,93	0,88	АМ0 (1360 Вт/м2) 28 °С
АО «НПП «Квант» (Российская Федерация)
ФЭП (по данным 2017 г.) 1	17,36	16,45	17,03	2,70	2,35	1,90	0,83	–	28,4	–	–	–	–	–	–	–	–	–	АМ0 (1366 Вт/м2) 25 °С