RU2584184C1 - Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования - Google Patents
Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования Download PDFInfo
- Publication number
- RU2584184C1 RU2584184C1 RU2014146838/28A RU2014146838A RU2584184C1 RU 2584184 C1 RU2584184 C1 RU 2584184C1 RU 2014146838/28 A RU2014146838/28 A RU 2014146838/28A RU 2014146838 A RU2014146838 A RU 2014146838A RU 2584184 C1 RU2584184 C1 RU 2584184C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solar cells
- coating
- antireflection
- optically active
- radiation
- Prior art date
Links
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 24
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 9
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- QVGXLLKOCUKJST-NJFSPNSNSA-N oxygen-18 atom Chemical compound [18O] QVGXLLKOCUKJST-NJFSPNSNSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 33
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 238000000904 thermoluminescence Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005395 radioluminescence Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004980 dosimetry Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 3
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000011824 nuclear material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 241000283074 Equus asinus Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-BJUDXGSMSA-N ac1l2y5h Chemical compound [18FH] KRHYYFGTRYWZRS-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 230000005516 deep trap Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000695 excitation spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000000084 gamma-ray spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/041—Provisions for preventing damage caused by corpuscular radiation, e.g. for space applications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
- H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области гелиоэнергетики и касается конструкции фотоэлектрического модуля космического базирования. Фотоэлектрический модуль включает в себя нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала. Со стороны лицевой поверхности солнечных элементов и в антиотражающее просветляющее покрытие солнечных элементов введен оптически активный прозрачный полимер, содержащий антистоксовый люминофор. Верхнее и нижнее защитные покрытия выполнены из оптически активных кислородосодержащих материалов типа монокристаллического α-Al2O3-x, способных к люминесценции, накоплению и высвечиванию светосумм при естественной оптической и термической стимуляции. Технический результат заключается в повышении эффективности при работе в цикле солнечный свет - темнота. 1 з.п. ф-лы. 9 ил. 1 табл.
Description
Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к устройствам солнечных фотоэлектрических модулей для обеспечения электрической энергией космических аппаратов, работающих в условиях космоса, в том числе при нахождении области солнечной тени в полной темноте.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности солнечных элементов фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) космического базирования в полном цикле солнечный свет - тень.
Известные из литературы конструкции солнечных батарей условно можно разделить на три группы.
В первой применяются различные типы оптических концентраторов солнечного света на поверхности ФЭП, без изменения внутренней структуры фотоэлемента (Способы концентрации света, стр. 207, в кн. Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором и способ его изготовления. Патент RU №2130669. Опубл. 20.05.1999).
Во второй усовершенствуются конструкции концентраторов солнечного света и полупроводниковая структура фотоэлемента (Пресс-релиз японской компания Sharp о создании и проведении испытаний солнечного фотоэлемента, имеющего рекордное значение коэффициента полезного действия (КПД), равного 44,4%, 2013 г. http://www.newsfiber.com/p/s/m?msg=WRp8Yalrbw%3D). Ранее, согласно пресс-релизу американского министерства энергетики, рекорд по эффективности преобразования солнечного света в электричество, равный 40,7%, принадлежал солнечной батарее, созданной в компании Boeing - Spectrolab (http://akkumulyator.ru/articles51.html). Технические решения, используемые компаниями Sharp и Boeing - Spectrolab, и полученные результаты близки. Суть их заключается в концентрации солнечного света, подаваемого на фотоэлемент, с помощью призмы Френеля и модификации структур фотоэлемента путем организации дополнительных гетеропереходов из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов. Каждый из переходов вырабатывает напряжение на своей длине волны из спектра солнечного света. Суммарный эффект - использование более широкого спектра длин волн солнечного света для его преобразования в электрическую энергию, чем у обычных солнечных батарей.
Третья группа устройств ФЭП связана с введением в их конструкцию элементов из радиационно стойких материалов, выполняющих роль защитных покрытий, и материалов, преобразующих спектр солнечного света, чем достигается повышение срока службы и эффективности ФЭП. Именно такие технические решения являются аналогами предлагаемого изобретения.
Пример 1. Жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца вызывает потемнение защитных покрытий, выполненных из стекла, что приводит к снижению мощности светового потока, поступающего на фотоэлемент. Защитные покрытия солнечных элементов темнеют также под действием корпускулярных излучений. Наибольшие разрушения материалов защитных покрытий создаются под действием потоков электронов с энергиями 0,2-1 МэВ и протонов с энергиями 4-40 МэВ. Наименьшей радиационной стойкостью обладают органические покрытия, их применение ограничивается наземными условиями эксплуатации. Исследования показали, что в вакууме под действием УФ излучения с длиной волны 200-250 нм у защитных покрытий из окиси алюминия (α-Al2O3) наблюдаются минимальные повреждения. (Воздействие УФ-излучения на материалы, стр.279, в кн. Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. - М: Энергоатомиздат, 1983 - 360 с.).
Пример 2. Солнечные батареи спутника Pioneer покрывались пленочным защитным стеклом толщиной 0.15 мм с покрытием, отражающим солнечный свет в голубой области спектра. Эта часть спектра не используется в работе ФЭП, но приводит к его нежелательному нагреву (стр. 323, в кн. Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. - М: Энергоатомиздат, 1983 - 360 с.).
Пример 3. Солнечные батареи спутников связи, входящих в систему раннего обнаружения (США), покрывались толстыми пластинками плавленного кварца. Для долговременных спутников связи, толщина пластинок из плавленого кварца выбиралась равной 0.3 мм (стр. 341, в кн. Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - 360 с.).
Пример 4. В ФЭП для космических аппаратов защитное стеклянное покрытие выполнено из бесщелочного алюмофосфатного стекла с предварительно встроенным в него электрическим зарядом, создающим внутреннее электрическое поле, снижающее интенсивность электронных потоков, бомбардирующих ФЭП. Технический результат изобретения - продление ресурса ФЭП за счет снижения скорости радиационной деградации полупроводникового элемента ФЭП (Полупроводниковый фотопреобразователь солнечной энергии для космических аппаратов (Патент RU №2144718. Опубл. 20.01.2000).
В примерах 1-4 приведены существующие аналоги выполнения защитных покрытий фотоэлектронных преобразователей ФЭП. Общим недостатком рассмотренных вариантов защитных покрытий является то, что их применение не предусматривает получение и использование дополнительной, относительно естественной солнечной энергии, поступающей на рабочую поверхность преобразователя. Конструкции ФЭП с такими защитными покрытиями остаются неработоспособными в области солнечной тени.
Пример 5. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция фотоэлектрического модуля (А.В. Алексеев и др. Патент RU №2410796. Опубл. 27.01.2011. Бюл. 3), сущность которой поясняется чертежом (Фиг. 1.), где: 1 - верхнее защитное покрытие; 2 - промежуточная пленка; 3 - оптически активный слой; 4 - кремниевые солнечные элементы; 5 - антиотражающее просветляющее покрытие; 6 - скрепляющая полимерная пленка; 7 - нижнее защитное покрытие. Верхнее защитное покрытие 1 выполнено из оптически прозрачного закаленного стекла толщиной 3,2 мм. Нижнее защитное покрытие 7 выполнено из оптически прозрачного полимера на основе полиэтилентерефтолата толщиной ~0,4 мм. Промежуточная 2 и скрепляющая пленки 6 выполнены из полимерного материала толщиной ~0,3 мм. Чувствительным элементом ФЭП являлись кремниевые монокристаллические солнечные элементы 4 с антиотражающим просветляющим покрытием 5.
Существенным признаком новизны данной конструкции является то, что между верхним защитным покрытием и лицевой поверхностью солнечного элемента размещен активный слой 3, представляющий собой оптически прозрачный полимер, содержащий антистоксовый люминофор на основе редкоземельных элементов, Y1,975-xYb0,025ErxO2S:Ti0,12,MgO0,04. Технический результат, достигаемый при использовании данного люминофора, заключается в преобразовании инфракрасной части солнечного света в видимую область с длинами волн λ1=546 и λ2=670 нм, оптимальными для работы ФЭП, и повышение тем самым его КПД. Варианты описанной конструкции включают дополнительное введение антистоксового люминофора в антиотражающее просветляющее покрытие солнечных элементов и в верхнее защитное покрытие.
Недостатком конструкции ФЭП, принятой за прототип, является то, что для ее работы требуется солнечное освещение. В области солнечной тени, в темноте, работа ФЭП становится невозможной.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков описанной конструкции ФЭП и обеспечение его работоспособности в темноте и при солнечном освещении путем введения в конструкцию ФЭП оптически активных элементов, обеспечивающих приток световой энергии к рабочей поверхности ФЭП, рождающейся при их взаимодействии с космической радиацией.
Физической основой предлагаемого изобретения является комплекс люминесцентных явлений, возникающих при облучении оптически активных соединений потоками электронов и протонов высоких энергий, ядрами и ионами легких и тяжелых элементов, рентгеновскими и гамма-квантами, накопление светосумм в этих соединениях и их высвечивание при освещении солнечным светом, повышении и понижении температуры. При этом испускаемый в люминесцентных явлениях свет воспринимается ФЭП.
Достижение поставленной цели достигается использованием в качестве защитных покрытий материалов, сочетающих в себе свойства пассивных защитных покрытий, и комплексом люминесцентных свойств, таких как фотолюминесценция (ФЛ), радиолюминесценция (РЛ), ионолюминесценция (ИЛ), термолюминесценция (ТЛ), оптически стимулированная люминесценция (ОСЛ). При этом материал покрытия должен обладать высокой радиационной и механической стойкостью, химической инертностью, хорошей теплопроводностью, сохраняющимися в температурном интервале -200-(+400)°C. Сформулированным требованиям к свойствам материалов защитных покрытий в полной мере удовлетворяют монокристаллический оксид алюминия (α-Al2O3). Главным, при выборе этого материала в качестве защитных покрытий ФЭП, является то, что его особая форма - анион-дефектный оксид алюминия, α-Al2O3-х (α-Al2O3:С в отечественной и иностранной литературе), содержит уникальный набор структурных дефектов в атомном строении кристаллической решетки - кислородных вакансий в разных зарядовых состояниях. Образующиеся на их базе оптически активные центры люминесценции после облучения материала ионизирующей радиацией или солнечным излучением эмитируют свет при оптическом возбуждении (ФЛ, ОСЛ), облучении заряженными частицами, рентгеновскими или гамма-квантами (РЛ, ИЛ), повышении или понижении температуры (ТЛ). Образование центров люминесценции в кристаллах α-Al2O3-х связано с особенностью их выращивания в восстановительных условиях вакуума в присутствии углерода (Способ получения профилированных монокристаллов оксида алюминия для термолюминесцентной дозиметрии. А.с. СССР №1340365 от 22.05.1987. Авторы: Л.М. Затуловский, Д.Я. Кравецкий, И.И. Мильман и др.). Помимо центров люминесценции, в процессе выращивания в кристаллах α-Al2O3-х формируется система дефектов, выполняющих роль уровней захвата носителей заряда (ловушек). Такие ловушки способны захватывать образующиеся при облучении жестким ультрафиолетовым или ионизирующим излучением электроны, удерживать их в захваченном состоянии длительное время, причем количество захваченных электронов оказывается пропорциональным поглощенной дозе излучения. При подведении тепловой энергии к такой системе (ТЛ) захваченные на ловушки носители освобождаются, переходят в зону проводимости, где они становятся свободными, и откуда могут быть захвачены на центр люминесценции, переводя его в возбужденное состояние. Возвращение центра люминесценции в исходное, невозбужденное, состояние сопровождается излучением света в полосе свечения, характерной для конкретного типа центра. Интенсивность излученного света также оказывается пропорциональной поглощенной дозе. Кристаллы получили широкое распространение в мировой практике в качестве детекторов для термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД). Другим способом освобождения захваченных ловушками носителей заряда в зону проводимости (ОСЛ) является подведение к кристаллу дополнительной энергии в форме оптического излучения с энергией квантов, равных оптической глубине расположения уровней захвата в зоне проводимости кристалла. Энергия возбуждающих квантов при этом меньше, чем эмитируемых при релаксации центров люминесценции, возбужденных захватом электронов из зоны проводимости (ОСЛ).
В представленной ниже Таблице приведены современные сведения о центрах люминесценции в анион-дефектных кристаллах α - Al2O3-х, их символические обозначения, длины волн возбуждения и люминесценции.
Физические основы происхождения и проявлений люминесцентных явлений, наблюдаемых в этих кристаллах под действием потоков ионизирующей радиации, света и температуры, описаны в отечественных и зарубежных научных публикациях (В.D. Evans. A review of optical properties of anion lattice vacancies, and electrical conduction in α - Al2O3: their relation to radiation - induced electrical degradation. Journal of Nuclear Materials 219 (1995) 202-223; С. В. Соловьев и др. Термофотоиндуцированное преобразование центров люминесценции в анион-дефектных кристаллах α-Al2O3-х. ФТТ, 2012, т. 54, вып. 4, стр. 683-690; И.И. Мильман и др. Роль глубоких ловушек в люминесценции анион - дефектных кристаллов α-Al2O3:С. ФТТ, 2008. т. 50. С. 1991-1995; в кн. Chen, R., McKeever, S.W.S.. 1997. Theory of Thermoluminescence and Related Phenomena. Word Scientific Publishing Co, Singapore, pp. 560; в кн. E.G. Yukihara and S.W.S. McKeever. Optically Stimulated Luminescence. Fundamentals and Application. Wiley. 2011. pp.369).
Данные Таблицы показывают, что спектр люминесценции кристаллов α-Al2O3-х, возбужденный светом, содержащим компоненты солнечного излучения, значительно более широкий, по сравнению с приведенным в изобретении, принятым за прототип, имеющим только две полосы 540 и 670 нм. Данные полосы близки к люминесценции F2 +, Ali и Cr3+ - центров в кристаллах α-Al2O3-х. Таким образом, ФЛ защитного покрытия на базе α-Al2O3-х под действием стимулирующего излучения Солнца будет являться дополнительным источником света по длине волны, попадающим в диапазон чувствительности кремниевого ФЭП. Главным в предлагаемом изобретении является то, что, как показывают многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в земных условиях, излучение света центрами люминесценции, приведенными в Таблице, возникает в реальном времени под действием потоков электронов, протонов, тяжелых заряженных частиц, гамма-излучения и нейтронов (РЛ и ИЛ) (О.A. Plaksin, V.A. Stepanov et. al. Radioluminescence of alumina during proton and heavy ion irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 206 (2003) 1083-1087; А.В. Кружалов, И.И. Мильман и др. Ионолюминесценция и образование центров окраски в монокристаллах α - Al2O3 под действием облучения протонами. Radiation Measurements 45(2010) 362-364; М. Malo, M.Morono, E.R. Hodgson. Ion bombardment induced surface electrical degradation monitoring by means of luminescence in aluminas. Fusion Engineering and Design 88(2013) 626-630; A. A. Morono, E.R. Morono. Oxigen trapping in electctron in irradiated sapphire. Journal of Nuclear Materials 307-311(2002) 1246-1249; V.A. Skuratov et. al. In situ luminescence as monitor of radiation damage under swift heavy ion irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 245 (2006) 194-200; А.И. Сюрдо и др. Особенности образования и электронная структура Ali - центра в корунде. Укр. физ. Журнал. Т. 33, №6 (1988) 872-875).
При всех видах облучения материала защитного покрытия на основе α-Al2O3-х в центрах захвата накапливаются носители заряда, концентрация которых пропорциональна поглощенной дозе. При выходе из тени под действием солнечного света накопленные заряды освобождаются, попадают в зону проводимости, откуда они могут быть захвачены центрами люминесценции, приводя их в возбужденное состояние. Переход возбужденных центров в основное состояние сопровождается люминесценцией (ОСЛ), дополнительно освещая ФЭП. Освобождение зарядов с последующей эмиссией света может происходить из-за нагрева материала покрытия (ТЛ) под действием солнечного света, в том числе в области низких (-150°C) температур (А.В. Кружалов, И.И. Мильман и др. Оптически и термически стимулированная люминесценция кристаллов α-Al2O3, облученных протонами. Письма в ЖТФ, 2008, вып. 18, 83-88; М.Н. Сарычев, В.Ю. Иванов, И.И. Мильман, А.И. Сюрдо. Аппаратурный комплекс для исследований термо- и фотостимулированных процессов при 4-500 K Проблемы спектрометрии и спектроскопии. Вузовско-академический сборник научных трудов. Выпуск 32, Екатеринбург, УрФУ, 2013, 77-83).
При изучении протонолюминесценции кристаллов α-Al2O3-х (Циклотрон Р-7, УрФУ, Е=5,7 МэВ, флюенс 1010-1016 см-2) (А.В. Кружалов, И.И. Мильман и др. Ионолюминесценция и образование центров окраски в монокристаллах α-Al2O3 под действием облучения протонами. Radiation Measurements 45(2010) 362-364) авторами предлагаемого изобретения было обнаружено, что кристаллы в результате облучения становятся гамма-радиоактивными и люминесцирующими. Для идентификации образующегося радиоактивного изотопа измерялся энергетический спектр гамма-излучения (Фиг. 2. 1 - фон; 2 - спектр излучения 18F), кривая распада, зависимость логарифма скорости счета от времени (Фиг. 3 кривая 1). Полученные данные, период полураспада, равный 110 мин, и доминирующая линия в спектре гамма-излучения 511 кэВ соответствовали излучательным параметрам позитрон-радиоактивного изотопа 18F, образованный в результате ядерной реакции 18O(p,n)18F. Полученный результат оказался достаточно неожиданным, поскольку хорошо известно, что в естественной смеси кислорода содержится всего 0,2% тяжелого кислорода 18О. Поскольку специально обогащение тяжелым кислородом α-Al2O3-x не проводилось, наиболее вероятным происхождением наблюдаемого феномена являются технология выращивания кристаллов: α-Al2O3-х высокая температура, низкое парциальное давление по кислороду, обеспеченное углеродным окружением (Способ получения профилированных монокристаллов оксида алюминия для термолюминесцентной дозиметрии. А.с. СССР №1340365 от 22.05.1987. Авторы: Л.М. Затуловский, Д.Я. Кравецкий, И.И. Мильман и др.). В этих условиях кислород диффундирует из решетки оксида алюминия, переводя состав соединения в нестехиометрическую форму (α-Al2O3-х). При этом можно полагать, что из-за разницы массы и размеров в первую очередь решетку оксида покидают атомы обычного кислорода. Тогда, возможно, α-Al2O3-х становится обогащенным тяжелым кислородом.
Торможение позитронов и поглощение аннигиляционных гамма-квантов в кристалле α-Al2O3-х вызывает яркое свечение возбужденных центров F-типа. Как показали наши измерения, кинетика затухания люминесценции (Фиг. 3, кривая 2) полностью совпадает со временем распада наведенной радиоактивности изотопа 18F (С.С. Зырянов, И.И. Мильман, О.В. Рябухин. Применение детекторов ТЛД - 500 K для измерения флюенса ускоренных протонов. Проблемы спектрометрии и спектроскопии. Вузовско-академический сборник научных трудов. Выпуск 26, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2010, 209 - 213). Таким образом, люминесценция, обусловленная источником радиоактивности внутри материала защитного покрытия, является еще одним значимым каналом освещения рабочей поверхности ФЭП, обеспечивая работу преобразователя в космических условиях, в том числе в области солнечной тени. Количественные данные о вероятности возбуждения 18O(p,n)18F - ядерной реакции в зависимости от энергии протонов (Е. Hess et. al. Excitation function of the 18O(p,n)18F nuclear reaction from threshold up to 30 MeV) показывают, что реакция реализуется в диапазоне энергии 4-14 МэВ с максимумом около 5 МэВ вблизи пика в распределении по энергии протонов в космосе. Энергия и, соответственно, пробеги продуктов реакции, позитронов и гамма-квантов относительно малы (~0,6 мм для 500кэВ электронов в α-Al2O3) и не приводят к радиационному дефектообразованию в случае их попадания в поверхностные слои кремниевого ФЭП. Толщина защитного покрытия выбирается из планируемой радиационной обстановки при решении с помощью космического аппарата конкретной задачи. С учетом пробегов протонов с энергией 40 и 5 МэВ в выбранном материале защитного покрытия его толщина составляет около 4 мм. Эффективный пробег электронов с энергией 1 МэВ в α-Al2O3 составляет около 2 мм. При выборе толщины защитного слоя учитывается его вес и тот факт, что с увеличением объема материала растет интенсивность люминесценции во всех вариантах ее проявлений. Учитывая приведенные выше оценки, сравнение с данными литературы, изобретения, принятого за прототип (Zэфф Al2O3≤Z′эфф закаленного стекла), и экспериментальные результаты авторов предлагаемого изобретения, оптимальная толщина защитного покрытия выбрана в пределах 4-5 мм. Выход реакции 18O(p,n)18F существенно увеличивается путем обогащения α-Al2O3-x тяжелым кислородом, в соответствии с этим растет интенсивность РЛ, индуцированная внутренним источником 18F, дополнительно обеспечивая световой энергией ФЭП в полной темноте. При этом дополнительно возрастают накопленные и высвеченные светосуммы в ТЛ и ОСЛ.
Сущность изобретения заключается в том, что конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования, включающая нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим просветляющим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала, а со стороны лицевой поверхности кремниевых солнечных элементов и в антиотражающее просветляющее покрытие кремниевых солнечных элементов введен оптически активный слой, представляющий собой оптически прозрачный полимер, содержащий антистоксовый люминофор, отличающаяся тем, что верхнее и нижнее защитные покрытия выполнены из оптически активных кислородосодержащих материалов типа монокристаллического α-Al2O3-x, способных к люминесценции под действием потоков заряженных частиц, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов, накоплению и высвечиванию светосумм при естественной оптической и термической стимуляции. При этом оптически активный кислородосодержащий материал защитных покрытий типа монокристаллического α-Al2O3-х обогащен тяжелым кислородом.
Результаты экспериментальной проверки реализации предлагаемого изобретения иллюстрируются представленными ниже фигурами. Измерения тока короткого замыкания проводились со стандартным фотоэлектронным преобразователем наземного применения. Защитным покрытием элемента являлась пластина анион-дефектного оксида алюминия толщиной 4 и 5 мм. В качестве источника света использовалась ксеноновая лампа как аналог спектра солнечного света в атмосфере. Спектральная чувствительность ФЭП измерялась по стандартной методике: источник света → монохроматор → ФЭП → измеритель тока. Оптические спектры возбуждения люминесценции и люминесценции материала покрытия измерялись по стандартной методике: источник света → монохроматор → пластина защитного покрытия → монохроматор → фотоэлектронный умножитель и ФЭП. Работоспособность ФЭП с защитным покрытием изучалась при бомбардировке электронным пучком с энергией 110 кэВ и током в импульсе несколько килоампер, после облучения измерялись накопленные светосуммы в режимах ТЛ и ОСЛ. Были проведены также измерения спектров излучения, поступающих на чувствительный слой ФЭП, его согласование со спектральной чувствительностью. Одновременное облучение ФЭП светом ксеноновой лампы и электронным пучком демонстрирует рост эффективности преобразования. Аналогичный рост эффективности преобразования наблюдался после облучения защитного покрытия протонами за счет образования внутри него радиоактивного изотопа фтора-18. С учетом результатов, приведенных в литературных источниках, в том числе и авторов предлагаемого изобретения, используемых при описании сущности изобретения, экспериментальная проверка показала работоспособность предлагаемого изобретения. На Фиг. 4 приведены спектральная чувствительность имеющегося в нашем распоряжении солнечного ФЭП наземного применения (кривая 1) и энергетический спектр неконцентрированного солнечного излучения (кривая 2) (Ж. И. Алферов и др. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. Физика и техника полупроводников, 2004, том. 38, вып.8, 937-948). Рисунок показывает участок спектра солнечного излучения, использующийся для работы ФЭП. Фиг. 5 представляет взаимное расположение спектральной чувствительности ФЭП (кривая 1) и полос люминесценции во всех вариантах ее происхождения, описанных выше для защитных покрытий на основе α-Al2O3-х, обусловленной структурными (центры F-типа) и примесными дефектами (Cr3+, Ti3+) (кривая 2). Для сравнения, на фигуре цифрами 3 и 4 отмечены длины волн 546 и 670 нм, использующиеся для повышения эффективности ФЭП в изобретении, принятом за прототип. Данные этого рисунка показывают значительно более широкий спектральный диапазон оптического излучения, поступающего на вход ФЭП в предлагаемом изобретении, по сравнению с прототипом. На Фиг. 6 приведена зависимость тока короткого замыкания ФЭП при совместном воздействии света ксеноновой лампы и электронного пучка. При этом ток электронного пучка не изменялся, а интенсивность оптического излучения увеличивалась в измерениях от №1 до №4. На этом рисунке отсутствие штриховки на столбиковой диаграмме соответствует току короткого замыкания в относительных единицах, генерируемому ФЭП при облучении электронным потоком, а ее присутствие - оптическому излучению. Позиции с номерами 2, 3, и 4 соответствуют совместному действию оптического и электронного облучения ФЭП. Из этого рисунка следует принципиальная возможность работы ФЭП с предложенным защитным покрытием как при облучении заряженными частицами в области солнечной тени, так и при совместном действии солнечного излучения и потоков космической радиации. На Фиг. 7 приведены кривые термовысвечивания образцов защитных покрытий, облученных при низкой температуре рентгеновским, кривая 1, и ультрафиолетовым излучением, кривая 2. Этот результат свидетельствует о возможности освещения ФЭП при низкой температуре. На Фиг. 8 приведены кривые термовысвечивания образцов защитных покрытий, облученных электронным пучком ускорителя. Видно, что нагрев облученных защитных покрытий до 300°C является источником дополнительного освещения ФЭП. Фиг. 9 иллюстрирует эмиссию света облученными защитными покрытиями при оптической стимуляции солнечным светом. Проведенные испытания подтвердили работоспособность предлагаемого изобретения.
Claims (2)
1. Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования, включающая нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим просветляющим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала, а со стороны лицевой поверхности кремниевых солнечных элементов и в антиотражающее просветляющее покрытие кремниевых солнечных элементов введен оптически активный слой, представляющий собой оптически прозрачный полимер, содержащий антистоксовый люминофор, отличающаяся тем, что верхнее и нижнее защитные покрытия выполнены из оптически активных кислородосодержащих материалов типа монокристаллического α-Al2O3-x, способных к люминесценции под действием потоков заряженных частиц, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов, накоплению и высвечиванию светосумм при естественной оптической и термической стимуляции.
2. Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования по п. 1, отличающаяся тем, что оптически активный кислородосодержащий материал защитных покрытий типа монокристаллического α-Al2O3-x обогащен тяжелым кислородом.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146838/28A RU2584184C1 (ru) | 2014-11-20 | 2014-11-20 | Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146838/28A RU2584184C1 (ru) | 2014-11-20 | 2014-11-20 | Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2584184C1 true RU2584184C1 (ru) | 2016-05-20 |
Family
ID=56011997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014146838/28A RU2584184C1 (ru) | 2014-11-20 | 2014-11-20 | Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2584184C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731368C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-09-02 | Алан Кулкаев | Радиоизотопный фотоэлектрический генератор |
| RU2813103C1 (ru) * | 2023-08-01 | 2024-02-06 | ООО "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике" | Фотоэлектрический модуль и способ его изготовления |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7791157B2 (en) * | 2005-02-03 | 2010-09-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Energy conversion film and quantum dot film comprising quantum dot compound, energy conversion layer including the quantum dot film, and solar cell including the energy conversion layer |
| RU2410796C1 (ru) * | 2010-01-19 | 2011-01-27 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Конструкция фотоэлектрического модуля |
| US7888591B2 (en) * | 2007-05-23 | 2011-02-15 | Yong-Chi Wang | Silicon-based photovoltaic cell and its red light conversion layer |
-
2014
- 2014-11-20 RU RU2014146838/28A patent/RU2584184C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7791157B2 (en) * | 2005-02-03 | 2010-09-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Energy conversion film and quantum dot film comprising quantum dot compound, energy conversion layer including the quantum dot film, and solar cell including the energy conversion layer |
| US7888591B2 (en) * | 2007-05-23 | 2011-02-15 | Yong-Chi Wang | Silicon-based photovoltaic cell and its red light conversion layer |
| RU2410796C1 (ru) * | 2010-01-19 | 2011-01-27 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Конструкция фотоэлектрического модуля |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731368C1 (ru) * | 2019-09-30 | 2020-09-02 | Алан Кулкаев | Радиоизотопный фотоэлектрический генератор |
| RU2813103C1 (ru) * | 2023-08-01 | 2024-02-06 | ООО "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике" | Фотоэлектрический модуль и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8859883B2 (en) | Electric power generation method using solar cells and photovoltaic power generation system | |
| US7048872B2 (en) | Codoped direct-gap semiconductor scintillators | |
| US9224901B1 (en) | Scintillator and semiconductor based materials incorporating radioactive materials | |
| Náfrádi et al. | Radiation detection and energy conversion in nuclear reactor environments by hybrid photovoltaic perovskites | |
| Kobayashi et al. | Radiation damage of BGO crystals due to low energy γ rays, high energy protons and fast neutrons | |
| Neal et al. | Evaluation of melt-grown, ZnO single crystals for use as alpha-particle detectors | |
| Sychov et al. | Alpha indirect conversion radioisotope power source | |
| Koshimizu et al. | X-ray detection capability of bismuth-loaded plastic scintillators | |
| Rivera-Montalvo et al. | Luminescence characteristics of perovskite type LaAlO3: Dy3+ for radiation detector | |
| Shivaramu et al. | Thermoluminescence behavior of gamma irradiated Y2O3: Sm3+ nanophosphor | |
| Liu | The first results of PandaX-4T | |
| Spooner et al. | The UVIS scintillation detector. A proposed method of nuclear recoil discrimination for dark matter searches | |
| RU2584184C1 (ru) | Конструкция фотоэлектрического модуля космического базирования | |
| RU2694362C1 (ru) | Способ преобразования ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или деления атомных ядер и/или энергии термоядерных нейтронов) в электрическую энергию и устройство для его осуществления | |
| Aleksanyan et al. | Investigation of luminescence processes in YAG single crystals irradiated by 50 MeV electron beam | |
| Horiuchi et al. | Improvement in electrical performance of radiation-damaged silicon solar cells by annealing | |
| Iyudin et al. | Scintillation detectors in gamma-ray astronomy | |
| Nikolić et al. | Effects of successive gamma and neutron irradiation on solar cells | |
| Qiu et al. | Ion-beam-induced luminescence of LiF using negative ions | |
| Kavetsky et al. | Conversion of radioactive decay energy to electricity | |
| Korotcenkov et al. | ZnS-Based Neutron and Alpha Radiation Detectors | |
| CN115583842B (zh) | 一种中子与带电粒子能量转换材料、制备方法及其应用 | |
| Nakamura et al. | Undoped polycarbonate for detection of environmental radiation | |
| Carter et al. | Organic Scintillators with 2‐Ethyl Naphthalene as a Solvent | |
| Pankratova et al. | Unveiling of UV intrinsic luminescence in (Lu, Y) 2SiO5: Ce3+ single crystals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161121 |