№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 539.211;541.12;541.64, 620.187, 621
© 2008 г. СКУРАТ В.Е., ЛЕЙПУНСКИЙ И.О., ВОЛКОВ И.О., ПШЕЧЕНКОВ П.А., БЕРЁЗКИНА Н.Г., ЛЕТИН В.А., ГАЦЕНКО Л.С.
ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ "МИР" ПОСЛЕ ЕЁ ДЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПОНИРОВАНИЯ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ*
Изучены изменения поверхности фрагментов солнечной батареи (СБ), возвращенной с орбитальной станции (ОС) "Мир" на Землю в 1998 г. после 10,5 лет работы на низкой околоземной орбите (НОО). Исследования проводились тремя методами поверхностного анализа: сканирующей электронной микроскопии, локального рент-геноспектрального микроанализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Основные изменения поверхности СБ после длительной работы в космосе определяются загрязняющими осадками (ЗО), источником которых является собственная внешняя атмосфера. Существенный вклад в нее дают как СБ, так и другие части ОС. Кроме ЗО, выявлены локальные повреждения поверхности экспонированных образцов с размерами 5-20 мкм, которые вероятно вызваны ударами микрометеороидов. ЗО образуют на поверхности исследованных образцов покрытия, верхний слой которых состоит из округлых частиц с размерами 0,3-0,5 мкм. Главными составляющими ЗО являются углерод (выявлены его три химические формы) и кремний (две химические формы). Обсуждается возможность присутствия в ЗО карбида кремния. Рассмотрены возможные источники выявленных загрязнений. Приводится количественная оценка потерь мощности СБ из-за загрязнений и локальных повреждений поверхности.
Введение. Многочисленные исследования и опыт эксплуатации при работе солнечных батарей (СБ) на низкой околоземной орбите (НОО) показали, что в большинстве случаев снижение генерируемой мощности СБ происходит из-за изменения параметров ее оптической системы, которая представляет собой многослойную структуру, состоящую из наружного слоя - защитных стеклянных пластин (ЗСП) и внутренних слоев - кремнийорганических (КО) лака и каучука, антиотражающего покрытия на поверхности кремниевой пластины солнечного элемента (СЭ).
Деградация оптической системы СЭ (оптическая деградация) может быть вызвана следующими причинами [1-7]:
- загрязнением от собственной внешней атмосферы космического аппарата (КА), объемного газовыделения и загрязнением от двигателей;
- деструкцией материалов СБ, их трансформацией под воздействием атомарного кислорода (АК) и ультрафиолетового (УФ) излучения;
- эрозией поверхности ЗСП СБ и их загрязнением под влиянием микрометеороидов и осколков (дебрис);
- потемнением КО адгезивов.
Установлено, что одним из основных механизмов образования ЗО на оптических и терморегулирующих поверхностях КА является фотохимическое осаждение. В ре-
* Скурат В.Е., Лейпунский И.О., Волков И.О., Пшеченков П.А., Березкина Н.Г. - ИНЭП ХФ РАН; Ле-тин В.А., Гаценко Л.С. - НПП "Квант".
зультате воздействия факторов космического пространства иа летучие компоненты, выделяющиеся из органических материалов КА, образуются продукты соответствующих фотохимических реакций, которые осаждаются на поверхностях КА. Кроме этого загрязнения на поверхностях КА могут возникать вследствие деградации органических материалов в твердой фазе и переноса образующихся продуктов.
Таким образом, изучение загрязнений на оптических поверхностях СБ - их химического состава, морфологии и т.д. представляет значительный интерес для понимания природы оптической деградации СБ и разработки методов ее снижения.
Исследования поверхности проводили тремя методами:
1. Сканирующая электронная микроскопия, позволяющая изучать рельеф поверхности.
2. Локальный рентгеноспектральный микроанализ. Метод позволяет определять элементный состав участков поверхности с размерами более 1 х 1 мкм, на глубину ~0,5 мкм. Чувствителен к углероду, кислороду и другим элементам с атомным номером более 11.
3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Метод позволяет определять элементный состав (кроме водорода и гелия) участков поверхности с площадью ~1 мм2 на глубины 3-5 нм. На основе измерений химических сдвигов спектральных линий метод позволяет выявлять различные химические формы изучаемых элементов и определять их содержание в поверхностном слое с усреднением по толщине 3-5 нм.
Ранее [8-11] эти методы применялись для исследования других образцов со станции "Мир".
Экспериментальная часть
Образцы и методы исследований. Были изучены лицевая и тыльная поверхности трех фрагментов СБ, возвращенной с ОС "Мир" на Землю в 1998 г. после 10,5 лет работы на НОО. Четвертый образец был контрольным, т.е. в космосе не экспонировался. Конструкция фрагмента СБ приведена на рис. 1. Характерной чертой этой конструкции является наличие двойного защитного слоя СЭ с двух сторон - стеклоткани и ЗСП и фиксацией на подложке, изготовленной из стеклоткани методом пришива нитями [1, 2, 5].
Исследования образцов методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и локального рентгеноспектрального анализа (ЛРСА) проводились на приборе Came-bax MBX-1 (Cameca, France). При исследовании морфологии поверхности образцов на них напылялся тонкий слой меди, при определении содержания углерода в поверхностном слое исследованных образцов напыление не проводилось. Методы сканирующей электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа описаны в работе [12]. Глубина анализируемого по составу слоя равна в методе ЛРСА 0,5-1 мкм.
Исследование образцов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) или электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА) [13, 14] проводилось на приборе XSAM-800 (Kratos Analytical Instruments, UK) при остаточном давлении не выше 10 Торр. Возбуждение проводилось характеристическим излучением магния с энергией фотонов 1253,6 эВ. Калибровка осуществлялась установкой компоненты с наименьшей энергией связи из поверхностного примесного углерода в положение 285,0 эВ. Спектры были записаны при двух углах выхода фотоэлектронов 0 = 90° и 0 = 35° (угол между отбираемыми фотоэлектронами и поверхностью образца), что приблизительно соответствует глубинам анализа 5 и 3 нм. Образец исходного стекла предварительно был промыт этанолом. Остальные образцы исследовались без какой-либо дополнительной обработки.
Результаты исследования методами СЭМ и ЛРСА приведены на рис. 2-6. На рис. 2-5 приведены изображения структуры поверхности контрольного образца, тыльной и лицевой поверхностей экспериментальных образцов со станции "Мир", полученные в режиме регистрации вторичных электронов при увеличениях от 400 до
6 4 7 6 2 9 1
8 5 3 9
Рис. 1. Фрагмент СБ: 1 - солнечный элемент; 2, 3 - защитная стеклянная пластина; 4, 5 - медная шина с покрытием Ag-Sn-Pb; 6 - стеклоткань; 7 - коммутационный провод; 8 - стеклоткань; 9 - клеящий состав СКТНФ
50000. В отличие от гладкой поверхности исходного образца на обеих сторонах экспериментальных образцов наблюдаются отложения округлой формы с характерными размерами 0,2-0,5 мкм.
На лицевой стороне образца (рис. 2, 3) эти частицы имеют округлую уплощенную форму. На отдельных участках на поверхности встречаются частицы неправильной формы с характерными размерами >1 мкм (рис. 3), внедренные в ЗО. Плотность таких частиц, являющихся, по всей видимости, частицами дебрис, достигает 105 1/мм2.
На тыльной стороне частицы верхнего слоя ЗО имеют более округлую форму, чем на лицевой стороне, они упакованы менее плотно и имеют другую ориентацию. Если на лицевой стороне длинные оси частиц расположены по нормали к поверхности, то на тыльной стороне они ориентированы, главным образом, вдоль плоскости поверхности.
На тыльной стороне (рис. 4) наблюдаются также чешуйки с размерами до 15 мкм и толщиной ~1-2 мкм. По-видимому, они являются отшелушившимися от поверхности фрагментами слоя ЗО.
На обеих сторонах экспериментальных образцов встречаются локальные повреждения поверхности с характерными размерами 5-20 мкм (рис. 3, рис. 5). По-видимому локальные повреждения вызваны ударами микрометеороидов. В местах повреждения поверхности ЗСП микрометеороидами видна поперечная структура ЗО. На лицевой поверхности округлые частицы находятся на плотном слое отложений, его толщина достигает 1,5-2 мкм. На тыльной стороне в месте разрушения поверхности ударом микрометеороида толщина плотного слоя отложений ~0,3 мкм.
На лицевой поверхности наблюдаются места, на которых верхний слой ЗО отсутствует (см. рис. 3). На тыльной стороне такие участки не обнаружены. Возможно, что удаление верхнего слоя ЗО с лицевой стороны произошло в результате его стравливания орбитальным атомарным кислородом.
На спектрах рентгеновского излучения поверхности образцов после напыления меди для элементов X > 11 наблюдаются следующие отличия в элементном составе: экспериментальные образцы со станции "Мир" загрязнены натрием, кальцием, хлором, фосфором, углеродом. Содержание калия на экспериментальных образцах меньше, чем на контрольном образце. Скорее всего, загрязнения кальцием, натрием и хлором не связаны с воздействием факторов околоземного космического пространства.
Уменьшение содержания калия на экспериментальных образцах при неизменном содержании кремния связано с тем, что наличие слоя ЗО экранирует поверхность ЗСП, что приводит к ослаблению интенсивности линий характеристического излучения от калия и кремния, входящих в состав ЗСП. Отсутствие различий в интенсивности характеристического излучения кремния для исходных образцов и образцов, покрытых слоем ЗО, свидетельствует о наличии кремния в ЗО.
На рис. 6 приведены записи линии углерода в спектре рентгеновского излучения от поверхности эталонного образца и исследованных образцов. На основании сравнения
Контрольный образец Лицевая сторона
Лицевая сторона
Рис. 2. Структура поверхности контрольного образца и лицевой стороны образца
Лицевая сторона
Рис. 3. Особенности структуры поверхности на лицевой стороне образца
Тыльная сторона
Тыльная сторона
Тыльная сторона
спектров можно утверждать, что на лицевой стороне содержание углерода в приповерхностном слое составляет не менее 10% вес., на тыльной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.