Первой космической солнечной батарее 60 лет
В нашем блоге мы уже писали о исполнившемся в этом году юбилее первого прибора, работающего на внешнем фотоэффекте. Так «сошлись звезды», что в этом году исполняется еще один знаковый юбилей прибора, работающего уже на внутреннем фотоэффекте – первой космической солнечной батарее. Уместно вспомнить о этом событии накануне Дня космонавтики.
Прошло ровно 60 лет с того знаменательного события, когда во Всесоюзном НИИ источников тока (ныне АО «НПП «Квант», Москва) были получены первые образцы кремниевых фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) – устройств, непосредственно вырабатывающих постоянный электрический ток при воздействии солнечного света. В 1958 году одновременно с американцами, в СССР была создана первая кремниевая солнечная батарея для третьего советского искусственного спутника Земли (рис. 1) – ИСЗ-3. Первые фотопреобразователи изготавливались из слитков монокристаллического р-кремния с удельным сопротивлением ~1,0 Ом см, наибольший размер пластин составлял 12-15 мм. Первые монокристаллы кремния были выращены в полупроводниковой лаборатории Гиредмета (Москва) и на Подольском химико-металлургическом заводе.
Трудно переоценить значение этих событий для отечественной космической техники, получившей эффективный, надежный и практически безопасный первичный генератор энергии для работы в космосе. Начавшаяся в этот период мировая эра освоения космического пространства, создания космических аппаратов для самых разных орбит немыслима без успешного развития науки и технологии, позволяющей создавать все более и более эффективные солнечные батареи, – полупроводниковой фотоэнергетики.
Рис. 1 Советский искусственный спутник Земли «Спутник-3» с первой кремниевой солнечной батарей. Выведен на орбиту 15 мая 1958 года
Для первых кремниевых фотоэлементов использовалась планарная структура с мелким p−n-переходом, получаемым методом диффузии фосфора в р-типный базовый кремний. Затем распылением серебра в вакууме напылялись контактные площадки, которые затем покрывались медью путем электрохимического осаждения. В заключение фотопреобразователи покрывали прозрачным лаком, освещали лампой накаливания и получали фото-ЭДС 0,55 В и ток 10-12 мА. Первый лабораторный фотопреобразователь был получен летом 1957 года. Он представлял собой маленькую пластинку площадью 0,4-0,5 см2. Удельная мощность образца при освещении солнечным светом в полдень на широте Москвы составляла около 3 мВт/см2. Результаты, полученные на этой солнечной батарее, свидетельствовали о длительной работе и надежности батареи. Не оправдались опасения разработчиков о быстрой деградации ее характеристик из-за воздействия микрометеоритов. Начиная с третьего искусственного спутника Земли и на многие десятилетия магистральным направлением развития космической энергетики стало использование солнечных батарей.
Рис. 2 Кремниевая космическая солнечная батарея вблизи
С июля 1958 года начался серийный выпуск кремниевых фотопреобразователей. Через полгода выпуск серийных фотопреобразователей составлял 2,5-3,0 м2 солнечных батарей в месяц. Средний КПД фотопреобразователей составлял около 8%, средняя удельная мощность солнечных батарей — 55-60 Вт/м2 при облучении внеатмосферным солнцем и температуре 25 °С. Эта технология использовалась до января 1964 года. За это время удельная мощность солнечных батарей возросла до 65 Вт/м2, а КПД составлял примерно 8%.
Это направление в космической технике обеспечило все мировые и отечественные проекты и достижения в создании космических аппаратов главным, без чего они не существуют – электроэнергией. Сегодня никто не представляет себе космических аппаратов без привычных «крылышек» – панелей солнечных батарей.
