RU2525633C1 - Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing - Google Patents
Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2525633C1 RU2525633C1 RU2013107439/28A RU2013107439A RU2525633C1 RU 2525633 C1 RU2525633 C1 RU 2525633C1 RU 2013107439/28 A RU2013107439/28 A RU 2013107439/28A RU 2013107439 A RU2013107439 A RU 2013107439A RU 2525633 C1 RU2525633 C1 RU 2525633C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- solar
- solar battery
- diodes
- shunt
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for generating electrical energy by converting light radiation into electrical energy, and can be used in the design and manufacture of small spacecraft with solar batteries (SB).
Уровень техникиState of the art
К СБ предъявляются следующие требования: максимальная энергетическая эффективность при минимальной массе, сохранение электрических и механических характеристик при хранении, транспортировке на Земле и выводе на расчетную орбиту, длительный срок активного существования (САС) на орбите при минимальной деградации, которая выражается в потере мощности. У современных СБ САС достигает 15 лет и выдвигаются требования по его увеличению до 20 лет.The following requirements are imposed on the SB: maximum energy efficiency with a minimum mass, preservation of electrical and mechanical characteristics during storage, transportation on Earth and putting into the designed orbit, long term active life (CAC) in orbit with minimal degradation, which is expressed in loss of power. In modern SB, SAS reaches 15 years and demands are made to increase it to 20 years.
Основными причинами деградации на орбите являются нарушения структуры активных элементов, а именно фотопреобразователей (ФП) и диодов под действием радиации, а также нарушения, возникающие в результате воздействия изменения температуры, термоциклов. На разных орбитах различен диапазон изменения температуры и частота термоциклов. Для условий эксплуатации на геостационарной орбите верхнее значение температуры +100°C, нижнее - 170°C, количество термоциклов - 2000. На низких орбитах диапазон изменения температуры меньше, верхнее значение +100°C, нижнее - 100°C, но количество термоциклов в течение срока активного существования на орбите составляет несколько десятков тысяч.The main causes of degradation in orbit are disturbances in the structure of active elements, namely photoconverters (FPs) and diodes under the influence of radiation, as well as disturbances resulting from the effects of temperature changes and thermal cycles. In different orbits, the temperature range and the frequency of thermal cycles are different. For operating conditions in the geostationary orbit, the upper temperature value is + 100 ° C, the lower one is 170 ° C, the number of thermal cycles is 2000. In low orbits, the temperature range is less, the upper value is + 100 ° C, the lower one is 100 ° C, but the number of thermal cycles in the duration of the active life in orbit is several tens of thousands.
Из уровня техники известно (см. Н. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980), что СБ состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки солнечных элементов (СЭ), внутри генераторов встречно-параллельно с солнечными элементами устанавливают шунтирующие диоды. Помимо шунтирующих диодов для обеспечения надежной работы СБ применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими диодами.From the prior art it is known (see N. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980) that the SB consists of separate generators, including chains of solar cells (SE), inside the generators counter-parallel to the solar elements set bypass diodes. In addition to shunt diodes, to ensure reliable operation of the SB, diode protection is used, which is provided by blocking diodes.
В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные солнечные элементы, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АзВ5, которые выращены на германиевой подложке (см. P. R. Sharps, М. A. Stan, D. J. Aiken, В. Clevenger, J. S. Hill and N. S. Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA/CP.2005-213431. Page 108-115). Каждый такой СЭ защищается диодом, расположенным с СЭ в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и СЭ. Обычно в СЭ выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты США на изобретения US 6353176, US 6034322 и заявку США на изобретение US 2008/0000523).In recent years, silicon has been replaced by more efficient solar cells, including several cascades of heterojunctions based on AzB5 compounds grown on a germanium substrate (see PR Sharps, M. A. Stan, DJ Aiken, B. Clevenger, JS Hill and NS Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA / CP.2005-213431. Page 108-115). Each such SC is protected by a diode located with the SC in the same plane, and the diode has the same thickness as the SC. Typically, SCs are made at the corners of the slices in which the triangular diode is placed (see US patents for inventions US 6353176, US 6034322 and US application for invention US 2008/0000523).
Из уровня техники известна солнечная батарея космических аппаратов, расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для монтажа СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть солнечной батареи (модули) состоит из солнечных элементов, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутирующих элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина (см. GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).The prior art solar spacecraft battery located on a carbon fiber honeycomb panel. The bearing part of the honeycomb panel consists of two layers of carbon fiber, between which there is a honeycomb made of aluminum foil. An electrically insulating film is glued to the carbon fiber surface intended for the installation of solar cells. The power generating part of the solar battery (modules) consists of solar cells connected in series or in series-parallel to each other using switching elements with thermomechanical compensators. A glass plate is glued onto the front surface of each solar cell (see GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).
К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ. Высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ, а также технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах, приводит к малой стойкости СБ к воздействию термических и механических нагрузок.The disadvantages of the known solar battery of spacecraft include low technological design, low temperature range of operation due to the low strength of soldered and welded joints of shunt diodes and solar cells. The high probability of damage to the inter-element switching that protrudes above the front surface of the SB during its manufacturing and routine maintenance, as well as the technological complexity of manufacturing the inter-element switching, due to the need to place thermomechanical compensators in the narrow interelement gaps, leads to the low resistance of the SB to the effects of thermal and mechanical loads .
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является солнечная батарея космических аппаратов, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутирующих шин СЭ, где коммутирующие шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами, где внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска, а СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы неподвижно, а коммутирующие шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика, причем термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса в зонах, свободных от герметика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2250536).The closest in technical essence and the achieved effect technical solution (prototype) is the solar battery of spacecraft, containing panels with modules glued to them, consisting of series or series-parallel-connected with the help of switching buses SE, where the switching buses are equipped with thermomechanical compensators, and the front surface of each solar cell is glued a protective glass plate, which is equipped with an additional frame glued to a flat or curved surface They have elastic elements with a given shape and size, where the internal volume of the elastic elements is filled with sealant with the formation of a convex meniscus, and the SEs are pressed to the elastic elements and fixed motionless, and the switching buses with thermomechanical compensators and shunt diodes are welded or soldered to the back contacts of the SE in the zones, free of sealant, and thermomechanical compensators are located between the back side of the solar cell and the supporting surface of the frame in areas free of sealant (see patent of the Russian Federation for the invention RU 2250536).
К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ, плохая стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок. Молибденовая шина, толщиной 50 мкм и имеющая многослойное специальное покрытие, является очень жесткой. При присоединении коммутирующих шин сваркой ухудшаются электрические характеристики шунтирующих диодов, а в некоторых случаях из-за жесткой шины точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование. При повышенных температурах происходит деградация СЭ после пайки и сварки, что приводит к отслоению контактов от СЭ и, как следствие, выходу из рабочего состояния ячеек СБ.The disadvantages of the known solar battery of spacecraft include low technological design, low temperature range of operation due to the low strength of soldered and welded joints of shunt diodes and solar cells, poor resistance of the SB to mechanical and thermomechanical loads. A molybdenum tire, 50 microns thick and having a multi-layer special coating, is very stiff. When connecting switching buses by welding, the electrical characteristics of shunt diodes deteriorate, and in some cases, due to a rigid bus, the welding point breaks out with silicon, which leads to a low yield of crystals after thermal cycling tests. At elevated temperatures, degradation of the solar cells occurs after soldering and welding, which leads to delamination of the contacts from the solar cells and, as a result, the SB cells become out of operation.
Из уровня техники известен способ изготовления СБ космических аппаратов с шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, формирование шунтирующих диодов на лицевой стороне СЭ, соединение шунтирующих диодов и СЭ СБ космических аппаратов, соединение с помощью коммутирующих шин СЭ (см. патент США на изобретение US6635507).The prior art method for the manufacture of SB spacecraft with a shunt diode, including the manufacture of SC based on a photovoltaic semiconductor substrate, the formation of shunt diodes on the front side of the SC, the connection of shunt diodes and SC SC spacecraft, connection using commutating buses SE (see US patent US6666507).
К недостаткам известного способа относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации на рабочей и нерабочей сторонах. Кроме того, при присоединении коммутирующих шин сваркой возможно замыкание коммутирующей шиной слоев структуры, а точка сварки вырывается вместе со структурой подложки, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование.The disadvantages of this method include the low reproducibility of the manufacturing process due to the high probability of peeling (loss of adhesion) of metallization on the working and non-working sides. In addition, when connecting the switching buses by welding, it is possible to close the layers of the structure with the switching bus, and the welding point breaks out together with the substrate structure, which leads, as a result, to a low yield of crystals after thermal cycling tests.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления СБ космических аппаратов с интегрированным шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с углублениями для размещения дискретных шунтирующих диодов, изготовление дискретных шунтирующих диодов на основе полупроводниковой подложки, монтажа дискретных шунтирующих диодов в углубления, контактирование солнечных элементов с шунтирующими диодами с помощью коммутационных шин (см. патент США на изобретение US 5616185).The technical solution closest in technical essence and the effect achieved (prototype) is a method for fabricating SB spacecraft with an integrated shunt diode, which includes fabricating solar cells based on a photoelectric semiconductor substrate with recesses for placing discrete shunt diodes, manufacturing discrete shunt diodes based on a semiconductor substrate, mounting discrete shunt diodes into recesses, contacting solar cells with shunt diodes with help Strongly switching tires (see. US patent US 5,616,185).
К недостаткам известного способа изготовления относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации нерабочей стороны. Кроме того, при резке на кристаллы на кремниевых монокристаллических подложках образуются трещины, а при присоединении коммутационных шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование (термоудары).The disadvantages of the known manufacturing method include the low reproducibility of the manufacturing process due to the high probability of peeling (loss of adhesion) of metallization during the formation of metallization on the non-working side. In addition, when cutting into crystals on silicon single-crystal substrates, cracks form, and when connecting busbars by welding, the welding point breaks out with silicon, which leads, as a result, to a low yield of crystals after thermal cycling tests (thermal shock).
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом заявленного изобретения является:The technical result of the claimed invention is:
- повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ,- increasing the resistance of the SB to thermal shock, to the effects of mechanical and thermomechanical loads, increasing the manufacturability of the structure, increasing the active life of the SB of spacecraft, increasing the functionality by expanding the temperature range of operation and optimizing the design of the SB,
- упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ,- simplification of the switching system, which is achieved by increasing the strength of the connection of shunt diodes and solar cells,
- повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными.- increasing the reproducibility of the manufacturing process of SB spacecraft by optimizing the manufacturing technology of shunt diodes and SC SB, as well as switching buses connecting SC and shunt diodes, which are multilayer.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что солнечная батарея малоразмерных космических аппаратов содержит:The technical result of the claimed invention is achieved by the fact that the solar battery of small spacecraft contains:
- панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),- panels with solar modules (SE) glued to them,
- шунтирующий диод;- shunt diode;
- коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,- switching buses welded to the front and back sides of the shunt diodes and connecting the front and back sides of the shunt diode with the SC, while the shunt diode is installed in a cutout in the corner of the SC,
при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.in this case, the switching buses are multilayer, consisting of molybdenum foil, on both sides of which a layer of vanadium or titanium, a layer of nickel and a layer of silver are successively applied.
В предпочтительном варианте толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм, суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм, толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.In a preferred embodiment, the thickness of the molybdenum foil is 8-12 microns, the total thickness of the layers of vanadium or titanium and nickel is 0.1-0.3 microns, the thickness of the silver layer is 2.7-6 microns.
Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов включает:A method of manufacturing a solar battery for small spacecraft includes:
- изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,- manufacture of solar cells (SC) based on a photovoltaic semiconductor substrate with a cutout in the corner under the shunt diodes,
- изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,- manufacture of shunt diodes based on a photoelectric semiconductor substrate,
- изготовление коммутирующих шин,- manufacture of commutation tires,
- приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,- welding of switching buses to the front and back sides of the shunt diodes,
- установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,- installation of shunt diodes in the cutout in the corner of the solar cell,
- соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих- connection of SC with shunt diodes using commutating
шин,tires
при этом коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.at the same time, the switching buses are made of multilayer molybdenum foil, on both sides of which a layer of vanadium or titanium, a layer of nickel and a layer of silver are successively applied.
В предпочтительном варианте слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°С с предварительной ионной бомбардировкой, а молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.In a preferred embodiment, a vanadium or titanium layer, a nickel layer and a silver layer are successively applied on both sides to the prepared molybdenum foil by vacuum magnetron sputtering at a temperature of molybdenum foil of 110-130 ° C with preliminary ion bombardment, and a molybdenum foil with formed vanadium or titanium layers, Nickel and silver are annealed in vacuum at a temperature of 300-350 ° C.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by the drawings, which show the following.
На фиг.1 представлен СЭ с установленными сбоку с помощью коммутирующих шин шунтирующим диодом.Figure 1 shows the SC with side mounted using a switching bus by a shunt diode.
На фиг.2 схематично представлена послойная структура коммутирующейFigure 2 schematically shows the layered structure of the switching
шины.tires.
На фиг.3 представлен алгоритм способа изготовления СБ КА.Figure 3 presents the algorithm of the method of manufacturing SB SC.
На фиг.4 представлены рассчитанные по экспериментально измеренным деформациям величины внутренних механических напряжений в слоях металлов коммутирующих шин, сформированных при различной температуре молибденовой фольги.Figure 4 presents the values of internal mechanical stresses calculated from experimentally measured strains in the metal layers of the switching buses formed at different temperatures of the molybdenum foil.
На фиг.4 на графиках в скобках указан оптимальный рабочий диапазон температур молибденовой фольги при напылении. На фиг.1 обозначено следующее:Figure 4 on the graphs in parentheses indicates the optimal operating temperature range of the molybdenum foil during spraying. Figure 1 indicates the following:
1 - шунтирующий диод;1 - shunt diode;
2 - коммутирующая шина, соединяющая лицевую сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);2 - a switching bus connecting the front side of the shunt diode (1) with SC (4);
3 - коммутирующая шина, соединяющая обратную сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);3 - a switching bus connecting the back side of the shunt diode (1) with SC (4);
4 - солнечный элемент (СЭ);4 - solar cell (SE);
На фиг.2 обозначено следующее:Figure 2 indicates the following:
5 - подготовленная молибденовая фольга;5 - prepared molybdenum foil;
6 - слой ванадия или титана;6 - a layer of vanadium or titanium;
7 - слой никеля;7 - nickel layer;
8 - слой серебра.8 - a layer of silver.
Осуществление и пример реализации изобретенияThe implementation and example implementation of the invention
Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг.3): производят изготовление солнечных элементов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление коммутирующих шин, включающее в себя подготовку молибденовой фольги и металлизацию подготовленной молибденовой фольги методом вакуумного магнетронного напыления с двух сторон слоями ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой, затем производят отжиг молибденовой фольги с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра в вакууме при температуре 300-350°C, осуществляют приварку коммутирующих шин к шунтирующим диодам, испытывают шунтирующие диоды на термоциклирование и термоудар, соединяют солнечные элементы с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин и осуществляют выходной контроль солнечной батареи космических аппаратов.The claimed method was used in the implementation of a group technology for manufacturing solar panels of spacecraft and consists of the following sequence of technological operations (see Fig. 3): solar cells are manufactured on the basis of a photovoltaic semiconductor substrate, shunt diodes are manufactured on the basis of a photovoltaic semiconductor substrate, the manufacture of switching buses , including the preparation of molybdenum foil and metallization of the prepared molybdenum foil by the method in vacuum magnetron sputtering on both sides with layers of vanadium, nickel and silver at a temperature of molybdenum foil 110-130 ° C with preliminary ion bombardment, then annealing the molybdenum foil with formed layers of vanadium or titanium, nickel and silver in vacuum at a temperature of 300-350 ° C weld the switching buses to the shunt diodes, test the shunt diodes for thermal cycling and thermal shock, connect the solar cells to the shunt diodes with the help of switching buses and carry out the output control l solar spacecraft.
Толщину молибденовой фольги выбирали исходя из наибольшего усилия отрыва приваренной коммутирующей шины к лицевой и обратной сторонам шунтирующего диода после проведения испытаний на термоудар.The thickness of the molybdenum foil was selected based on the greatest pull-out force of the welded switching bus to the front and back sides of the shunt diode after thermal shock tests.
Усилие отрыва приваренной коммутирующей шины от шунтирующего диода определяли следующим образом: подготавливали молибденовую фольгу в несколько этапов, после чего производилось утонение молибденовой фольги до следующих толщин: 6±0,1 мкм, 7,5±0,1 мкм, 10±0,1 мкм, 13±0,1 мкм. Затем на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления нанесли с двух сторон слои ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.The separation force of the welded commutating bus from the shunt diode was determined as follows: molybdenum foil was prepared in several stages, after which the molybdenum foil was thinned to the following thicknesses: 6 ± 0.1 μm, 7.5 ± 0.1 μm, 10 ± 0.1 μm, 13 ± 0.1 μm. Then, on the prepared molybdenum foil by the method of vacuum magnetron sputtering, layers of vanadium, nickel and silver were applied on both sides at a molybdenum foil temperature of 110-130 ° C with preliminary ion bombardment.
После чего молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигали в вакууме при температуре 300-350°C и производили вырубку из молибденовой фольги коммутирующих шин. После чего производили контрольную сварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.1).After that, the molybdenum foil with the formed layers of vanadium or titanium, nickel and silver was annealed in vacuum at a temperature of 300-350 ° C and cutting of the busbars was made of molybdenum foil. After that, control welding of the switching buses to the front and back sides of the shunt diodes was performed and the effort of separation of the switching buses from the shunt diodes was controlled (see Table 1).
Затем производили испытания на термоудар приваренных коммутирующих шин к шунтирующим диодам, заключающийся в проведении 450 циклов термоударов от температуры -180°C (пары жидкого азота) до 120°C на специализированном оборудовании. После чего производилось измерение электрических параметров шунтирующих диодов, которое показало незначительное повышение прямого напряжения на фоне неизменных значений токов утечки и обратного напряжения. Затем производили контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.2).Then, tests were carried out on the thermal shock of the welded switching busbars to the shunt diodes, which consisted of 450 thermal shock cycles from a temperature of -180 ° C (liquid nitrogen vapor) to 120 ° C on specialized equipment. After that, the electrical parameters of the shunt diodes were measured, which showed a slight increase in forward voltage against the background of constant values of leakage currents and reverse voltage. Then, the effort of separation of the switching buses from the shunt diodes was controlled (see Table 2).
В результате испытаний выявлено увеличение усилия отрыва у всех вариантов толщин коммутирующих шин от шунтирующих диодов при незначительном изменении электрических характеристик шунтирующих диодов. Исходя из таблицы 2 получено, что оптимальной толщиной молибденовой фольги является 10±0,1 мкм, так как обеспечивается максимальное усилие отрыва шины от шунтирующего диода.As a result of the tests, an increase in the separation force of all variants of the thickness of the switching buses from the shunt diodes was revealed with a slight change in the electrical characteristics of the shunt diodes. Based on table 2, it was found that the optimal thickness of the molybdenum foil is 10 ± 0.1 μm, since the maximum force of separation of the bus from the shunt diode is provided.
Температуру молибденовой фольги при технологической операции напыления металлов выбирали исходя из минимальных напряжений в получаемой структуре (см. фиг.4). Внутренние напряжения определяли следующим образом: формировали одноконсольные микробалки методом магнетронного напыления металлических пленок V-Ni-Ag на подготовленной молибденовой фольге с фотолитографией и плазмохимическим травлением металлов. Полученные образцы одноконсольных микробалок исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при увеличении в 6000х. Проводили измерения размеров балочной конструкции и направление деформации. Форма деформации определялась по отклонению микробалок в различных точках ее длины от поверхности. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсолыюй микробалки. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса, которая обеспечивается, если при присоединении коммутирующих шин сваркой точка сварки не вырывается (см. табл.3).The temperature of the molybdenum foil during the technological operation of metal deposition was chosen based on the minimum stresses in the resulting structure (see figure 4). Internal stresses were determined as follows: single-cantilever microbalks were formed by magnetron sputtering of V-Ni-Ag metal films on prepared molybdenum foil with photolithography and plasma-chemical etching of metals. The obtained samples of single-console microbeams were examined using an Axio Imager Carl Zeiss optical microscope at a magnification of 6000x. We measured the dimensions of the beam structure and the direction of deformation. The shape of the deformation was determined by the deviation of the microbeams at various points of its length from the surface. After that, using mathematical processing according to the Stoney formula, the voltage values of the beams were calculated. The beam curvature was found by measuring the deviation of the shank of a single-console microbeam. The indicated modes were chosen based on considerations of the reproducibility of the technological process, which is ensured if the welding point does not break out when connecting busbars by welding (see Table 3).
По предложенным конструкции и способу изготовления изготавливали СБ для малоразмерных КА, включающие в себя бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А и каскадные фотопреобразователи на основе соединений А3В5.According to the proposed design and manufacturing method, SBs were produced for small-sized spacecraft, which included frameless shunt diodes of a triangular shape with a reverse voltage of 100 V and a direct current of 2 A and cascade photoconverters based on A 3 B 5 compounds.
До использования заявленного технического решения использовались серебряные коммутационные шины, которые приваривались к шунтирующим диодам и СЭ. Испытание диодов показало низкую стойкость к термоударам (происходило разрушение структуры после 10-15 термоударов от -180°C до +100°C), причем процент выхода годных диодов по электрическим характеристикам на этапе термоциклирования составлял не более 70% из годных диодов после сборки, а в оставшихся 30% происходило разрушение структуры в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения. Усилие отрыва металлизации от кристалла составляло 50-100 г/мм2, а после использования настоящего технического решения составило более 150 г/мм2, в результате чего процент выхода годных диодов на этапе термоциклирования повысился до 85%.Prior to the use of the claimed technical solution, silver switching buses were used, which were welded to the shunt diodes and solar cells. Testing of diodes showed low resistance to thermal shock (structure was destroyed after 10-15 thermal shock from -180 ° C to + 100 ° C), and the percentage of suitable diodes in electrical characteristics at the thermal cycling stage was not more than 70% of suitable diodes after assembly, and in the remaining 30% there was a destruction of the structure in the welding zone (interlayer destruction of the basic materials when exposed to elevated and lowered temperatures) while controlling the strength of the welded joint. The force of separation of metallization from the crystal was 50-100 g / mm 2 , and after using this technical solution it was more than 150 g / mm 2 , as a result of which the percentage of suitable diodes at the stage of thermal cycling increased to 85%.
Claims (7)
- панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),
- шунтирующий диод;
- коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,
отличающаяся тем, что
коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.1. The solar battery for small spacecraft contains:
- panels with solar modules (SE) glued to them,
- shunt diode;
- switching buses welded to the front and back sides of the shunt diodes and connecting the front and back sides of the shunt diode with the SC, while the shunt diode is installed in a cutout in the corner of the SC,
characterized in that
switching buses are multilayer, consisting of molybdenum foil, on both sides of which a layer of vanadium or titanium, a layer of nickel and a layer of silver are successively applied.
- изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,
- изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,
- изготовление коммутирующих шин,
- приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,
- установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,
- соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин,
отличающийся тем, что
коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.5. A method of manufacturing a solar battery for small spacecraft, including:
- manufacture of solar cells (SC) based on a photovoltaic semiconductor substrate with a cutout in the corner under the shunt diodes,
- manufacture of shunt diodes based on a photoelectric semiconductor substrate,
- manufacture of commutation tires,
- welding of switching buses to the front and back sides of the shunt diodes,
- installation of shunt diodes in the cutout in the corner of the solar cell,
- connection of solar cells with shunt diodes using commutation buses,
characterized in that
the switching buses are made of multilayer molybdenum foil, on both sides of which a layer of vanadium or titanium, a layer of nickel and a layer of silver are successively applied.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107439/28A RU2525633C1 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107439/28A RU2525633C1 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2525633C1 true RU2525633C1 (en) | 2014-08-20 |
Family
ID=51384561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013107439/28A RU2525633C1 (en) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2525633C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2623820C1 (en) * | 2016-08-16 | 2017-06-29 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике", ООО "НТЦ ТПТ" | Method of commutation of heterostructural photoelectric converters |
RU2642487C1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-01-25 | Публичное акционерное общество "Сатурн" (ПАО "Сатурн") | Solar battery |
RU2651642C1 (en) * | 2017-01-11 | 2018-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике", ООО "НТЦ ТПТ" | Photoelectric transducer with a self-healing contact |
RU2758203C1 (en) * | 2021-03-05 | 2021-10-26 | Акционерное общество "Сатурн" (АО "Сатурн") | Solar element module manufacturing method |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3537262A1 (en) * | 1985-10-19 | 1987-04-23 | Licentia Gmbh | Method for producing a solar cell connector |
US5616185A (en) * | 1995-10-10 | 1997-04-01 | Hughes Aircraft Company | Solar cell with integrated bypass diode and method |
RU2156522C1 (en) * | 1999-03-29 | 2000-09-20 | Открытое акционерное общество "Сатурн" | Solar battery |
RU2250536C1 (en) * | 2004-01-08 | 2005-04-20 | Открытое акционерное общество "Сатурн" | Solar battery |
WO2010021477A2 (en) * | 2008-08-19 | 2010-02-25 | 주식회사 티지솔라 | Solar battery module and method for manufacturing the same |
RU2420435C2 (en) * | 2009-07-13 | 2011-06-10 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Electric power supply system of miniature spacecraft-nano-satellites |
-
2013
- 2013-02-20 RU RU2013107439/28A patent/RU2525633C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3537262A1 (en) * | 1985-10-19 | 1987-04-23 | Licentia Gmbh | Method for producing a solar cell connector |
US5616185A (en) * | 1995-10-10 | 1997-04-01 | Hughes Aircraft Company | Solar cell with integrated bypass diode and method |
RU2156522C1 (en) * | 1999-03-29 | 2000-09-20 | Открытое акционерное общество "Сатурн" | Solar battery |
RU2250536C1 (en) * | 2004-01-08 | 2005-04-20 | Открытое акционерное общество "Сатурн" | Solar battery |
WO2010021477A2 (en) * | 2008-08-19 | 2010-02-25 | 주식회사 티지솔라 | Solar battery module and method for manufacturing the same |
RU2420435C2 (en) * | 2009-07-13 | 2011-06-10 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Electric power supply system of miniature spacecraft-nano-satellites |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2642487C1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-01-25 | Публичное акционерное общество "Сатурн" (ПАО "Сатурн") | Solar battery |
RU2623820C1 (en) * | 2016-08-16 | 2017-06-29 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике", ООО "НТЦ ТПТ" | Method of commutation of heterostructural photoelectric converters |
RU2651642C1 (en) * | 2017-01-11 | 2018-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике", ООО "НТЦ ТПТ" | Photoelectric transducer with a self-healing contact |
RU2758203C1 (en) * | 2021-03-05 | 2021-10-26 | Акционерное общество "Сатурн" (АО "Сатурн") | Solar element module manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10930804B2 (en) | Metallization of solar cells using metal foils | |
US7271333B2 (en) | Apparatus and method of production of thin film photovoltaic modules | |
US8338903B2 (en) | Photoelectric transducer and manufacturing method therefor | |
TWI478360B (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
US20080216895A1 (en) | Chalcopyrite solar cell and method of manufacturing the same | |
RU2525633C1 (en) | Solar battery for small-size spacecrafts and method of its manufacturing | |
TW200301969A (en) | Photovoltaic cell and method of manufacture of photovoltaic cells | |
US8993366B2 (en) | High efficiency, lightweight, flexible solar sheets | |
KR102550104B1 (en) | High performance solar cells, arrays thereof and methods of manufacturing | |
US8518724B2 (en) | Method to form a device by constructing a support element on a thin semiconductor lamina | |
US20210273124A1 (en) | Dual-depth via device and process for large back contact solar cells | |
JPS60187066A (en) | solar cells | |
US9997651B2 (en) | Damage buffer for solar cell metallization | |
US7638353B2 (en) | Method for fabrication of semiconductor devices on lightweight substrates | |
WO2011124321A2 (en) | Voltage matched multijunction solar cell | |
US20120167969A1 (en) | Zener Diode Within a Diode Structure Providing Shunt Protection | |
US8148189B2 (en) | Formed ceramic receiver element adhered to a semiconductor lamina | |
JP2013171903A (en) | Solar battery cell | |
JP4558461B2 (en) | Solar cell and method for manufacturing the same | |
RU2479888C1 (en) | Method to manufacture shunting diode for solar batteries of spacecrafts | |
RU2411607C1 (en) | Method of making shunt diode for spacecraft solar batteries | |
RU2623820C1 (en) | Method of commutation of heterostructural photoelectric converters | |
JP2020537815A (en) | Flexible solar cells and their manufacturing methods | |
US20230317862A1 (en) | Solar cell and method for preparing same, photovoltaic module and power consuming device | |
JP6009134B1 (en) | Manufacturing method of multi-junction solar cell |