Влияние температуры и динамики ее изменения на характеристики полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ргб

1 О ФВ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Экз. N _

ДОРОШЕНКО Виктор Георгиевич

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДИНАМИКИ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

01.04.10 - ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар 1996

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Кубанского государственного университета

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор МУРАВСКИЙ Б. С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук.

профессор ЛОЗОВСКИЙ В. Н.

кандидат физико-математических наук доцент БОГАТОВ Н. М

Ведущая организация Физико - Энергетический Институт

г. Обнин«

Защита диссертации состоится " 26_" февраля 1997 г. в 14'"' часов на заседании специализированного Совета КР 063.73.97 при Кубанском государственном университете по адресу: г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 231

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КубГУ Автореферат разослан " о^"__19 § ? г.

Ученый Секретарь специализированного Совета канд. физ. - мат. наук, доцент

Г. П. Рубцо!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Прямое преобразование солнечной энергии з электрическую является одним из перспективных направлений современной энергетики, развитие которого активно осуществляется в рамках как национальных, так и международных исследовательских программ. Начиная с 1958 ода, солнечные батареи (СБ) являются практически единственным первичным источником электроэнергии даже на относительно короткоживуших космических аппаратах, что объясняет актуальность работ по совершенствованию юлупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), являющихся элементной базой современных СБ.

Анализ проведенных различными авторами исследований показывает, что «¡следования ФЗП энергично осуществляются как в направлении их технологического совершенствования, так и повышения надежности в течение длитель-юго существования в условиях космоса в составе автономных фотоэнерге-гических установок. Так, на орбитальных объектах вследствие изменения освещенности ФЭП рабочая температура элементов на нетермостатированных па-*елях варьирует от 100 до 420 °К, а термоудары при выходе из области тени тланеты превышают 25 град/мин. Столь значительное изменение рабочей температуры ФЭП вызывает, с одной стороны, обратимое изменение на десятки троцентов эффективности преобразования солнечной энергии, с другой — нео-Зратимое изменение КПД СБ вследствие проявления эффектов гермощжяиро-5ания в ФЭП.

Отсюда следуст необходимость корректного изучения электрофизических сарактерисгик ФЭП, предназначенных для использования в космических СБ: /чета интенсивности, спектрального состава излучения, расширения температурного диапазона исследований в криогенную область; учета динамики температурного воздействия1 на характеристики различных по составу и конструктивному исполнению ФЭП. Наконец, представление экспериментальных данных холжно отвечать требованиям их использования в современных САПР.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в комплексном исследовании физических про-дессов, определяющих статическое и динамическое влияние температуры на ха-

рактерисшки полупроводниковых ФЭП при различных уровнях и спектральных составах освещенности, и разработке физической модели процесса термического прогрессирущего разрушения многослойных полупроводниковы? структур в условиях циклического температурного воздействия.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ О Разработать методику и экспериментальную базу для достоверных ста тических исследований характеристик полупроводниковых ФЭП в широ ком диапазоне температур и освещенностей различного спектрального со става.

О Разработать методику и экспериментальную базу для исследования ре сурсных характеристик полупроводниковых ФЭП в широком диапазон« параметров циклического температурного воздействия. О Провести точные измерения нагрузочных и спектральных характерно тик полупроводниковых ФЭП, различающихся составом полупроводни ковых материалов, конструкцией и технологией изготовления в диапазон« температур и освещенностей элементов, адекватных условиям эксплуата ции в составе автономных фотоэнергетических установок космического базирования.

О Разработать эмпирическую модель аналитического описания нагру зочных вольтамперных характеристик (ВАХ) ФЭП в диапазоне темпера тур и освещенностей космических орбитальных СБ.

О Исследовать влияние конструктивных и технологических особенностей планарных диффузионных ФЭП на температурную зависимость деформа ции ВАХ и параметров ее аналитического описания. О Провести количественные исследования эффектов термоциклирования ] многослойных полупроводниковых структурах и ФЭП различных конст рукций в широком диапазоне параметров температурного воздействия. О Разработать основные положения физической модели отказа контакт ной системы многослойных полупроводниковых фотоэлектрически: структур в условиях термоциклирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА проведенных исследований состоит в коррект ном решении актуальной задачи получения достоверной информации о функ

э

ционировании полупроводниковых ФЭП различной конструкции в адекватных космическим по диапазону температур и освещенностей условиях и физических причинах детерминированного отказа их контактных систем при термоцикли-ровании.

НОВЫМИ являются: О экспериментальные результаты исследования спектральных характеристик и нагрузочных ВАХ ФЭП планарной и матричной конструкции (под спектром адекватным AMO), с диффузионным р-п-переходом и барьером Шоттки на фотоактивной поверхности, из GaAs и Si с широким диапазоном изменения удельного сопротивления базы и глубины залегания р-п-перехода в диапазоне температур 100— 400 °К и, в частности, обнаружение максимума на температурных зависимостях КПД ФЭП в криогенной области температур: 0 результаты теоретических и экспериментальных исследований эффектов тер-моцшслирования в полупроводниковых фотоэлектрических структурах, в частности, выяснение физики процесса детерминированного отказа ФЭП при термошпслировании и экспериментальное установление характеристик процесса малоцикловой термической усталости как функции числа и параметров циклов воздействия;

<> результаты достоверного аналитического описания нагрузочных ВАХ реальных ФЭП различного состава, конструкции и технологии изготовления в условиях существования орбитальной околоземной СБ с учетом вариации освещенности элементов, перепада, скорости изменения температуры ФЭП и продолжительности термического воздействия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ проведенных исследований заключается в разработанных методиках; их аппаратной реализации и, собственно, результатах экспериментального изучения спектральных характеристик и нагрузочных ВАХ полупроводниковых ФЭП, используемых в составе космических СБ различного назначения, моделирования фотоэнергетических систем различного назначения, прогнозирования и анализа результатов их эксплуатации на искусственных спутниках Земли.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ,

выносимые на защиту:

О Методика экспериментального исследования полупроводниковых ФЭП при различных освещенностях известного спектрального состава в условиях статического и динамического температурного воздействия в интервале эксплуатационных температур СБ, установленных на космических объектах. О Нагрузочные ВАХ гомогенных ФЭП из GaAs и матричных кремниевых ФЭП с диффузионными n-р-переходами в криогенной области температур под спектрами лампы накаливания (2800 °К), имитатора заатмосферного Солнца и монохроматического излучения.

О Спектральные и нагрузочные статические характеристики кремниевых диффузионных, поверхностно-барьерных и высоковольтных монокристаллических и матричных ФЭП под спектром адекватным AMO в диапазоне температур от 100 до 420 °К.

О Результаты экспериментальных исследований механизмов деградации многослойных полупроводниковых фотоэлектрических структур, ФЭП и СБ в различных режимах и на различных стадиях циклического термического воздействия.

О Феноменологическая модель нагрузочной ВАХ кремниевых полупроводниковых ФЭП с сосредоточенными параметрами для условий существования космической СБ с учетом диапазона температур и диапазона скоростей ее изменения при различных уровнях освещенности заданного спектрального состава. 0 Основные положения физической теории малоцикловой термической усталости контактной системы полупроводниковых ФЭП различной геометрии.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Разработанные методики, результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы в технологических и конструкторских разработках полупроводниковых ФЭП, при проектировании, наземных и летно-конструкторских испытаниях полупроводниковых фотоэлектрических систем, использующих полупроводниковые ФЭП в качестве первичного источника электроэнергии.

Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных конференциях "Пути использования солнечной энергии", Черноголовка, 1981 г.,

"Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов", Кишинев, 1982 г. и III Всероссийской научно-технической Конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, Дивноморское, 8-13 сент., 1996 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы изложены в 10 публикациях и защищены авторским свидетельством на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 181 наименование и справочного Приложения. Объем работы, без учета библиографии и приложений, составляет 130 страниц. Иллюстративный материал содержит у о рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ рассмотрены аргументы в пользу развития производства возобновляемых источников энергия, в частности, полупроводниковых ФЭП, поиску эффективных методов их использования в жестких условиях эксплуатации; сформулирована цель диссертационной рабсил; определены конкретные задачи исследования; обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость выбранного направления работы.

В современных разработках автономных фотоэлектрических систем очевидное требование их высокой удельной мощности успешно конкурирует с требованием высокой надежности в жестких условиях термического воздействия. Температурный режим ФЭП в пизколетящих орбитальных СБ определяет не только надежность изделия (снижающуюся из-за потерь мощности ФЭП вследствие термоциклирования), но и эффективность преобразования солнечной энергии. Эта специфика температурного воздействия заставляет исследовать оба фактора во взаимосвязи.

Так, известен факт увеличения мощности диффузионных ФЭП из Si и GaAs с понижением их рабочей температуры, но не установлены точные значения оптимальных (отвечающих максимуму КПД) температур преобразования солнечной энергии со спектральным распределением AMO для планарных и матричных отечественных ФЭП с диффузионным р-п-переходом, также, как и значения температурных коэффициентов спектральных токов элементов и пара-

»

метров описания нагрузочных ВАХ ФЭП под спектром заатмосферного Солнца в широкой области температур..

Известно негативное влияние циклического изменения рабочей температуры ФЭП на деформацию их нагрузочных ВАХ, но неизвестен механизм процесса малоцикловой термической усталости, его количественные характеристики, связь с параметрами воздействия, конструктивными и технологическими особенностями нетермостатированной СБ.

Используемое при проектировании СБ и технологическом совершенствовании ФЭП классическое аналитическое описание нагрузочных ВАХ полупроводниковых ФЭП (в модели с сосредоточенными параметрами) не работает с удовлетворительной, для практики, точностью во. всем рабочем диапазоне температур СБ и не учитывает изменение нагрузочной ВАХ ФЭП вследствие тер-моциклирования.

Таким образом, необходимо под спектром излучения заатмосферного Солнца в широком диапазоне освещенностей (в том числе, и под монохроматическим) достоверно установить влияние температуры на параметры современных полупроводниковых ФЭП различной конструкции в расширенном е криогенную область диапазоне температур, выяснить механизмы отказа современных ФЭП при циклическом температурном воздействии, определить количественные связи показателей отказа деградирующих ФЭП с параметрами и числом термоциклов, разработать удовлетворительную аналитическую модель описания нагрузочных ВАХ современных полупроводниковых ФЭП для спектр; условий существования космических СБ.

ПЕРВАЯ ГЛАВА объединяет результаты анализа современного состоя/¡ш исследований влияния температуры на характеристики различных полупроводниковых фотоэлектрических структур, а именно: теоретические и эксперимен тальные методы исследований статических температурных характеристик по лупроводниковых фотоэлектрических структур, методы и результаты изученш эффектов термоциклирования в многослойных структурах типа "металл полупроводник" и, конкретно, в ФЭП и СБ.

Теория статического температурного влияния на параметры полупровод никовых ФЭП объясняет наблюдаемые в эксперименте эффекты. Однако нео

пределенность в выборе модели тока в р-п-переходе, реальные технологические особенности элементов и значительные вычислительные трудности, возникающие при попытке корректного решения задачи описания нагрузочной ВАХ совокупности реальных ФЭП с рассредоточенными параметрами в широком температурном диапазоне, не позволяют с требуемой для практики точностью использовать теоретические методы для моделирования СБ.

В экспериментальных исследованиях ФЭП, как следует из обзора, не учитывается в полной мере спектральный состав падающего излучения1, не обеспечивается должной защиты исследуемых образцов от негативного влияния окружающей среды-, ограничивается программа температурных исследований ФЭП по диапазону температур и измерению ВАХ лишь в 3-х точках характеристики.

Влияние удельного сопротивления базы кремниевых ФЭП (исследуемое, в частности, и в связи с перспективой создания радиационно стойких элементов) рассмотрено в ограниченной области значений (от ] до 10 Ом см), что недостаточно для удовлетворительного прогноза влияния указанного фактора на нагрузочные характеристики ФЭП при различных температурах.

Недостаточно полно произведен анализ влияния просветления рабочей поверхности элементов и глубины залегания р-п-перехода на характеристики ФЭП в рабочем диапазоне температур СБ. Не исследованы в рабочей области температур и соответствующих освещенностей характеристики инверсионных (поверхностно-барьерных) ФЭП, многопереходных (ВМФП) и матричных (ВФГ) элементов с вертикальным расположением р-п-переходов.

Исследование эффектов термошнслирования в ФЭП и СБ по мере совершенствования технологии и конструкции последних поставило проблему повышения термической стойкости и надежности СБ на один уровень с задачей повышения их эффективности. Значительное число зарубежных работ, особенно возросшее в 90-е годы, по исследованию эффектов термоциклирования в полупроводниковых приборах обусловлено не только актуальностью проблемы,

1 что приводит к недопустимой погрешности в определении реальных температурных коэффициентов "токовых" характеристик ФЭП.

- так, конденсация водяного пара завышает шунтирующие токи и искажает характеристики

1 о

сколько отсутствием удовлетворительной теории их деградации при циклическом температурном воздействии, которая убедительно объяснила бы наблюдаемые эффекты отказа ФЭП и их связь с конструктивными и технологическими особенностями элементов и параметрами термического воздействия.

Анализ наблюдаемых в температурных экспериментах усталостных явлений базируется, в основном, на эмпирическом методе универсальных каналов, дополненном статистическими данными по уровню разрушений ФЭП в СБ различной конструкции.

Исходя из вышеизложенного, определена цель диссертационной работы как КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДИНАМИКИ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФЭП, сформулированы конкретные задачи исследований:

О разработка достоверных методик изучения нагрузочных ВАХ полупроводниковых ФЭП в широком диапазоне температур и методик исследования их ресурсных характеристик;

О измерение нагрузочных и спектральных характеристик ФЭП современных космических СБ в условиях, имитирующих натурные;

О разработка основных положений физической модели отказа многослойных полупроводниковых фотоэлектрических структур при термоциклировании и О разработка модели аналитического описания нагрузочных ВАХ ФЭП в составе нетермостатированных орбитальных СБ.

ВТОРАЯ ГЛАВА содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований статических температурных характеристик современных ФЭП под источниками излучения различного спектрального состава.

В основу методики исследования положена независимость формы нагрузочной ВАХ ФЭП от спектрального состава падающего излучения. Поэтому процедура эксперимента включает измерение спектральных токов ФЭП1 в исследуемой области температур и расчете температурной зависимости тока ко-

1 С целью повышения точности спектральных температурных измерений (в режиме малых токов) регистрация последних производится при фиксированных длинах волн излучения и включает систему контроля светового потока, который пропускается на фотоактивную поверхность образца после отражения от полупрозрачного зеркала с закрепленным под ним контрольным ФЭП идентичной исследуемому образцу конструкции с известными интегральными и спектральными характеристика-

роткого замыкания под заданным спектром излучения. Защита ФЭП от воздействия паров влаги окружающей среды достигается размещением исследуемых образцов в вакуумированной рабочей полости криостата и включением в ваку-умпровод откачной системы азотной ловушки1.

Просветление фотоактивной поверхности элемента, подлегирование базовой области, вариация исходного удельного сопротивления базы, заметно изменяют температурных ход кривых тока короткого замыкания, фотоЭДС, КПД и последовательного сопротивления, иллюстрируя технологические возможности создания эффективных и термостабильных кремниевых ФЭП. Так, возрастание удельного сопротивления базы ФЭП не только влияет на его чувствительность к температурному воздействию при 300 °К, но и сдвигает оптимальный режим преобразования солнечной энергии в криогенную область.

Наблюдаемое при этом увеличение КПД ФЭП с 45-омной базой достает при 100 °К 130 % (по сравнению с результатами измерений при 300 °К), в то время как аналогичный результат для 1-ноомных ФЭП не превосходи: 50% (а максимум при 180 °К). Установлено, что влияние глубины залегания р-п-перехода ФЭП отчетливо проявляется и на спектральных температурных характеристиках, и на температурных зависимостях его КПД. Последние, пр ч идентичном сопротивлении базы Ом см, обнаруживают максимумы в области температур 160 — 220 °К, положение которых не зависит от глубины залегшая р-п-перехода. Однако относительное увеличение мощности ФЭП, работающих в оптимальном температурном режиме, заметно возрастает с уменьшением глубины его залегания.

Спектральные и нагрузочные характеристики гомогенных арсенид-галлиевых ФЭП исследованы нами в диапазоне температур от 100 до 420 °К и удовлетворительно согласуются с данными других авторов при 300 °К под спектром AMO. Спектральная чувствительность исследованных элементов обнаруживает четкий максимум, сдвигающийся с понижением температуры в область коротких длин воли с коэффициентом -0,7 нм/ °К.

Высоковольтные кремниевые ФЭП имеют, по нашим данным, более сильную температурную зависимость КПД и ЭДС, чем планарные, вследствие по-

: ■ Í^''' v^roe "Л"?." V vacien fa ФЭП.

вышенной спектральной чувствительности в длинноволновой области, наиболее деформируемой температурным воздействием. А наличие максимума температурной зависимости КПД матричных высоковольтных генераторов в области температур -290 °К подтверждает возможность их эффективного использования в схемах с высокими концентрациями солнечной энергии .

Нагрузочные характеристики инверсионных ФЭП с барьером Шоттки на фотоактивной поверхности' исследованы нами в диапазоне температур от 120 до 420 °К и уровнях освещенности адекватных AMO. Температурные коэффициенты тока короткого замыкания исследованных элементов, приведенные к 300 °К, заметно превосходит токовую температурную чувствительность диффузионных ФЭП в аналогичных условиях2, а коэффициент уменьшения напряжения холостого хода с ростом температуры несколько меньше (по модулю) аналогичного параметра ФЭП с диффузионным р-п-переходом, что является следствием малых обратных токов насыщения и, соответственно, высоких фогоЭДС на токосъемах в виде барьера Шоттки .

В диссертации показана возможность аналитического описания с приемлемой, для теории, точностью нагрузочных ВАХ высокоэффективных кремниевых ФЭП в широком температурном диапазоне с использованием классической 4-хпараметрической модели нагрузочной ВАХ, в которой значения сосредоточенных последовательного^) и шунтирующего(Кяь) сопротивлений реального ФЭП рассчитывались при 300 °К, а температурная зависимость Rs, нормированная по результатам расчета при 300 °К, определялась 4-хзондовым методом.

Температурная зависимость параметров ФЭП учитывалась через влияние температуры на диффузионную длину носителей заряда и ширину запрещенной зоны исходного материала. Полученные результаты удовлетворительно, для теории, согласуются с результатами экспериментов под AMO. Отклонение расчетных значений фотоЭДС от экспериментальных при 100 °К достигает 11, а тока короткого замыкания — 12 %, что обусловлено влиянием барьера Шоттки на тыльном контакте ФЭП.

1 изготовлены из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением базы 45 Ом -см : что объясняется несовершенством использованного в указанных образцах просе.епъчяющего по-

ТРЕТЬЯ ГЛАВА объединяет результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния термоциклирования на полупроводниковые фотоэлектрические структуры. Формулируются основные положения физической теории деградации контактной системы ФЭП, базирующейся на реологических представлениях упруго-пластического деформирования слоев в реальной контактной системе.

Представлены результаты исследований1, иллюстрирующие влияние конструктивных особенностей элементов и параметров циклического температурного воздействия на характеристики статистически представительной выборки ФЭП. Установлено, что характерной особенностью деградации при термоцик-лировании ФЭП, не содержащих коммутирующих шин на рабочей поверхности, является увеличение треуголыюсти их нагрузочных ВАХ и возрастание темно-вого тока при фиксированном напряжении, приложенном в прямом направлении. При компоновке ФЭП в СБ принятым в технологии способом с ростом числа циклов термического воздействия наблюдается иной механизм отказа. А именно, разрушение рабочей поверхности образцов серией микротрещин, выступающих из-под контактных площадок ФЭП и отсекающих от его собирающих токоотводов отдельные фотоактивные области. Результаты измерений, в частности, рабочего тока ФЭП, обрабатывались в виде гистограмм плотности функции распределения в сечении потока отказов с фиксированным числом термоциклов. Из полученных результатов установлено, что вследствие термо-циклирования статистическое распределение по КПД в выборке ФЭП2 обнаруживает не только уменьшение моды распределения, но и значимое увеличение ее дисперсии.

Установлено влияние конфигурации контактной системы на фотоактивной поверхности, материала и толщины коммутирующей шины на стойкость ФЭП к термоциклированию, а также параметров термического воздействия в цикле: перепада температур и максимальной скорости изменения температуры.

1 Исследование эффектов термоциклирования в многослойных полупроводниковых структурах проводилось как в разреженной среде, так и в нейтральной атмосфере.

г с доверительной вероятностью более 0.997 отличное, в генеральной совокупности, от нормально-

I 4

Разработанная нами модель отказа контактной системы многослойной полупроводниковой структуры при термоциклировании базируется на решении системы уравнений полной деформации слоев, дополненной условиями замкнутости сил. Анализируя характер термического нагружения слоев контактной системы, включающей слои металла характерной толщины ~ 1 мкм на полупроводниковой, например, кремниевой, подложке толщиной -100 мкм нетрудно установить наличие существенной пластической деформации в зонах металла, контактирующих с полупроводником при изменении температуры системы всего лишь на несколько десятков градусов. Кривая циклического температурного нагружения металла имеет при этом гистерезисный характер, площадь петля деформирования которой пропорциональна величине удельной энергии диссипации, инициирующей образование обратимых дефектов в кристаллической решетке металла. Образование дефекта в последней происходит на стадии охлаждения системы (растяжения слоя металла), исчезновение — при последующем увеличении температуры структуры. Контактирующий со слоем металла полупроводник в полуцикле нагрева испытывает растягивающие напряжения (величина которых достигает критических для полупроводника значений в местах локализации дефектов в металле), воспринимает дефект, преобразуя его в силу своей хрупкости в необратимый.

Таким образом, в зависимости от соотношения толщин в контактирующих слоях и амплитуды изменения температуры в цикле, процесс дефектообразова-ния локализуется либо в слое пластичного металла, либо в поверхностном слое полупроводника, обусловливая механизм отказа.структуры при термоциклировании. Так, в первом случае, это подтверждается и экспериментально, вследствие термоциклирования возрастает последовательное сопротивление, а разрушение контакта происходит по металлу после ~Ю6 циклов (малоцикловая усталость металла). Во втором, наряду с ростом последовательного сопротивления ФЭП, уменьшается фототок элемента, увеличивается его обратный ток и параметр рекомбинации, как это следует и из экспериментов. Влияние скорости изменения температуры на интенсивность процесса деградации при термоциклировании обусловлено, в соответствии с предложенной моделью, зависимостью диаграммы нагружения металла от скорости его деформирования.

Рассчитанные теоретически значения числа циклов, предшествующих отказу ФЭП при термоциклировании, согласуются с результатами натурных экспериментов.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА содержит результаты моделирования процессов преобразования солнечной энергии в полупроводниковых ФЭП в составе СБ, объединяя полученные в работе данные экспериментальных и теоретических исследований.

Опираясь на результаты исследования статических нагрузочных характеристик ФЭП в широком диапазоне температур и освещенностей, исследованы: новые возможности использования покрытий теплосброса1; перспективы интенсификации теплообмена в системах терморегулирования СБ; возможности повышения их надежности посредством регенерации поглощаемой ФЭП тепловой энергии; термодинамическая эффективность схем фотоэнергетических установок с комбинированным циклом преобразования солнечной энергии.

Результаты комплексного исследования влияния температуры на деформацию ВАХ ФЭП в условиях термоциклирования позволили установить оптимальное (т.е. обеспечивающее минимум суммарных ресурсных изменений ее мощности) соотношение числа ФЭП в последовательно-параллельных цепях СБ и, независимо, рассчитать оптимальное значение рабочего напряжения ФЭП {т.е. число ФЭП в последовательных цепях СБ), обеспечивающее максимум энергоотдачи нетермостатированной СБ на околоземной орбите2.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ подытожены основные результаты диссертационной работы и представлены рекомендации по их использованию в процессах технологического совершенствования ФЭП и СБ, при проектировании автономных нетермостатируемых фотоэнергетических установок, расчете и повышении надежности полупроводниковых ФЭП:

1. Разработаны основы эмпирической модели нагрузочной ВАХ полупроводниковых ФЭП с диффузионным п+-р-переходом, базирующейся на одно-

> оптимальных, по критерию удельной мощности, значений коэффициента заполнения фотоактивной поверхности элементами

2 в рамках разработанной модели совместного функционирования СБ и буферной химической батареи а системе единого питания объекта

1 о

экспоненциальном 4-х параметрическом уравнении с сосредоточенными параметрами.

2. Реализована методика исследования характеристик фотоэлектрических структур в статическом диапазоне температур от 100 до 420 °К с регулируемым (i пределах 3 солнечных постоянных) интегральным уровнем освещенности и по; монохроматическим излучением.

3. Впервые экспериментально установлено влияние конструктивных особенностей и удельного сопротивления базы на нагрузочные характеристики кремниевых ФЭП в широком температурном диапазоне.

4. Впервые исследованы нагрузочные характеристики кремниевых матричные структур в экстремальных по диапазону температур и освещенностей условиях.

5. Впервые в рабочем диапазоне температур орбитальных СБ измерены нагрузочные и спектральные характеристики гомогенных ФЭП из арсенида галлия к кремниевых поверхностно-барьерных элементов.

6. Измерены ВАХ серийных кремниевых ФЭП со сверхмелким диффузионным п+-р-р+-переходом, ВМФП с оптимизированным рабочим напряжением и ИФИ с токосъемом в виде барьера Шоттки под спектром адекватным AMO. Впервые установлены температурные зависимости параметров описания ВАХ элементов в диапазоне от 100 до 400 ОК.

7. Разработаны основы физической модели надежности полупроводниковых ФЭП в условиях термоциклирования. Предсказаны основные механизмы отказа структуры, их взаимосвязь и влияние на электрофизические характеристики СБ, Показано влияние конструктивных особенностей элементов, перепада и скорости изменения температуры ФЭП на интенсивность процессов их циклического температурного старения.

8. Установлены методические аспекты корректных экспериментальных исследований эффектов термоциклирования в полупроводниковых фотоэлектрических структурах, реализованные в соответствующих установках.i

9. Впервые достоверно определены ресурсные характеристики и статистические показатели отказа серийных ФЭП, влияние конструктивных особенностей элементной базы СБ и параметров термического воздействия на их стойкость и термоциклированию.

' термоциклирования ФЭП и СБ в условиях инертной газовой атмосферы, нейтрильной теплопе-редаюшей среды и вакуумируемой рабочей камеры.

I(^Проанализированы возможности пассивного и активного регулирования температуры СБ с целью повышения ее КПД посредством интенсификации процессов теплообмена в системе терморегулирования космического аппарата.

11.Проанализированы перспективы повышения термодинамического КПД орбитальной СБ и ослабления эффектов термоциклирования ФЭП в ее составе посредством регенерации тепловой энергии гелиоприемника.

12.Впервые разработана структурная схема СБ с комбинированной схемой преобразования солнечной энергии.

13.Впервые установлена принципиальная возможность оптимального выбора рабочего напряжения автономной фотоэлектрической системы и числа элементов в последовательно-параллельных цепях СБ, обеспечивающего максимальную эффективность, стабильность и ресурс системы энергопитания при заданной априори надежности СБ в течение срока активного существования.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ к диссертации представлены методы расчета рабочей температуры ФЭП в составе орбитальных космических СБ; сформулированы методические принципы корректного экспериментального исследования статических температурных характеристик и эффектов термоциклирования в ФЭП; подробно описаны основные конструктивные узлы соответствующих установок; показано влияние освещенности на параметры аналитического описания нагрузочных В АХ планарных полупроводниковых ФЭП.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

представлено в работах:

1. Влияние конструктивных параметров на температурные характеристики кремниевых фотопреобразователей / В. Г. Дорошенко, Е. С. Русских // Гелиотехника, 1975, N3, с. 5 - 11.

2. Температурные характеристики кремниевых фотопреобразователей / В. Г. Дорошенко, Е. С. Русских// Гелиотехника, 1975, N 5, с. 3 - 9.

3. Устройство для преобразования солнечной энергии / В. Г. Дорошенко, М. Б. Закс, Ю. В. Скоков // А. С. N 2460118, опубл. 28.02.79, приор, от 09.03.77.

4. Анализ характеристик полупроводниковых фотопреобразователей в диапазоне температур 100-400 К I Л. И. Громовой, В. Г. Дорошенко, М. Б. Закс, М. В. Седик // Гелиотехника, 1978, 2, с. 14 - 18.

1 н

5. Установка для испытаний полупроводниковых структур на стойкость к термоциклировашио / В. Г. Дорошенко, А. И. Елизарова // Электронная техника, 1980, сер. 8, в. 8 (86), с. 28 - 33.

6. Влияние термониклирования на характеристики полупроводниковых фотопреобразователей/ В.Г.Дорошенко// Электронная техника, 1980, сер. 8, в. 8(86), с. 28-33.

7. Модель отказа контактной системы полупроводникового прибора при циклическом температурном воздействии / J1. В. Береза, А. А. Долгов, В. Г. Дорошенко, В. М. Евдокимов, М. Б. Закс, Ю. В. Скоков // Инженерно-физический журнал, 1983, т. 44, 2, с. 298 - 304.

8. К вопросу о механизме циклического температурного воздействия на параметры многослойных полупроводниковых структур / В. Г. Дорошенко // Труды III Всероссийской научно-технической Конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", - Дивноморское, 1996. - с. 42.

9. Теплофизические аспекты оптимизации автономных полупроводниковых фотоэлектрических систем по критерию максимального термодинамического КПД / В. Г. Дорошенко // Труды III Всероссийской научно-технической Конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", - Дивноморское, 1996. - с. 124.

10.Влияние температуры и динамики ее изменения на потери мощности и надежность полупроводниковых фотопреобразователей в солнечных батареях /В. Т. Дорошенко, Б. С. Муравский, Е. А. Семенко// Деп. В ВИНИТИ 22.08.96 N 2705-В96.

11.Обобщенная модель вольтамперной характеристики нетермостатированной солнечной батареи космического базирования/ В. Г. Дорошенко, Б. С. Муравский// Деп. В ВИНИТИ 22.08.96 N 2706-В96.