III–V-aurinkokennojen rappeutuminen avaruuden säteilyn vaikutuksesta
Rouru, Susanna (2021)
Rouru, Susanna
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105165055
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105165055
Tiivistelmä
Avaruuden säteily vaurioittaa elektroniikkaa avaruusmissioilla lyhentäen niiden elinikää. Tämä on ongelma myös avaruusaurinkokennoille, jotka ovat Maata kiertävien satelliittien pääteholähde. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan avaruusaurinkokennojen rappeutumista sekä teorian pohjalta, että kokeellisen tutkimuksen kannalta.
Työssä käsitellyt avaruusaurinkokennoprototyypit ovat InGaP/GaAs/InGaNAs-moniliitosaurinkokennoja. Tällaisten puolijohdeaurinkokennojen toiminta perustuu olennaisesti niiden energiavyörakenteeseen. Materiaalien periodinen kiderakenne vuorostaan vaikuttaa energiatiloihin. III–V-puolijohdeaurinkokennoissa merkittävin säteilyn aiheuttama vauriotyyppi onkin protonien ja elektronien aiheuttamat kiderakenteen muutokset. Häiriöt periodisessa kiderakenteessa synnyttävät uusia energiatiloja, jotka vaikuttavat negatiivisesti muun muassa varauksenkuljettajien liikkuvuuteen. Tästä seuraa kennon sähköisten ominaisuuksien huononemista.
Aurinkokennoille haitallista energeettistä protoni- ja elektronisäteilyä esiintyy avaruudessa merkittäviä määriä. Maapalloa kiertävät satelliitit altistuvat Maan magneettikenttään loukkuuntuneille varauksellisille hiukkasille. Toisaalta Maan magneettikenttä suojaa alemmilla kiertoradoilla kulkevia satelliittejä Auringosta lähtöisin olevalta energeettiseltä hiukkassäteilyltä. Planeettojen välisillä avaruusmissioilla nämä auringonpurkauksista ja koronan massapurkauksista aiheutuvat hiukkasvuot ovat suurin säteilyongelma aurinkokennoille.
Avaruuden säteilyalueiden monimuotoisuuden takia myös niiden vaurioitumisen ennakointi on haastavaa. Tämän kandidaatintyön toisessa osassa käsitellään joitakin aurinkokennojen rappeutumiseen liittyviä yleisiä tutkimusmenetelmiä. Huomataan, että uusien aurinkokennotyyppien säteilynkestävyyden tarkka tutkimus vaatii monenlaisia resursseja niin mittauslaitteistojen kuin analysointityökalujen osalta.
Tämän työn kokeellista osaa varten III–V-moniliitosaurinkokennoille tehtiin virta–jännite-mittauksia niiden sähköisten ominaisuuksien tutkimiseksi Tampereen yliopiston Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa (ORC). Kun 1 MeV elektroneilla säteilytettyjä aurinkokennoja valaistiin aurinkosimulaattorilla, havaittiin selvästi kennojen tehon heikkenemistä. 1e15 e/cm säteilyannoksen jälkeen kennojen hyötysuhde oli laskenut 26,5 %:sta 18,4 %:iin. Kaupallisiin avaruusaurinkokennoihin vertailtaessa huomataan, että tässä työssä tutkittujen kennojen säteilynkestävyys ei ole aivan yhtä hyvä kuin kaupallisten moniliitoskennojen. Tämä käy järkeen, sillä tutkitut kennot ovat vasta prototyyppejä, eikä niissä ole hyödynnetty säteilyä jarruttavaa suojalasia. Kennoprototyypit osoittautuvat kuitenkin paljon piistä valmistettuja avaruusaurinkokennoja paremmiksi, mikä lupaa hyvää.
Työssä käsitellyt avaruusaurinkokennoprototyypit ovat InGaP/GaAs/InGaNAs-moniliitosaurinkokennoja. Tällaisten puolijohdeaurinkokennojen toiminta perustuu olennaisesti niiden energiavyörakenteeseen. Materiaalien periodinen kiderakenne vuorostaan vaikuttaa energiatiloihin. III–V-puolijohdeaurinkokennoissa merkittävin säteilyn aiheuttama vauriotyyppi onkin protonien ja elektronien aiheuttamat kiderakenteen muutokset. Häiriöt periodisessa kiderakenteessa synnyttävät uusia energiatiloja, jotka vaikuttavat negatiivisesti muun muassa varauksenkuljettajien liikkuvuuteen. Tästä seuraa kennon sähköisten ominaisuuksien huononemista.
Aurinkokennoille haitallista energeettistä protoni- ja elektronisäteilyä esiintyy avaruudessa merkittäviä määriä. Maapalloa kiertävät satelliitit altistuvat Maan magneettikenttään loukkuuntuneille varauksellisille hiukkasille. Toisaalta Maan magneettikenttä suojaa alemmilla kiertoradoilla kulkevia satelliittejä Auringosta lähtöisin olevalta energeettiseltä hiukkassäteilyltä. Planeettojen välisillä avaruusmissioilla nämä auringonpurkauksista ja koronan massapurkauksista aiheutuvat hiukkasvuot ovat suurin säteilyongelma aurinkokennoille.
Avaruuden säteilyalueiden monimuotoisuuden takia myös niiden vaurioitumisen ennakointi on haastavaa. Tämän kandidaatintyön toisessa osassa käsitellään joitakin aurinkokennojen rappeutumiseen liittyviä yleisiä tutkimusmenetelmiä. Huomataan, että uusien aurinkokennotyyppien säteilynkestävyyden tarkka tutkimus vaatii monenlaisia resursseja niin mittauslaitteistojen kuin analysointityökalujen osalta.
Tämän työn kokeellista osaa varten III–V-moniliitosaurinkokennoille tehtiin virta–jännite-mittauksia niiden sähköisten ominaisuuksien tutkimiseksi Tampereen yliopiston Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa (ORC). Kun 1 MeV elektroneilla säteilytettyjä aurinkokennoja valaistiin aurinkosimulaattorilla, havaittiin selvästi kennojen tehon heikkenemistä. 1e15 e/cm säteilyannoksen jälkeen kennojen hyötysuhde oli laskenut 26,5 %:sta 18,4 %:iin. Kaupallisiin avaruusaurinkokennoihin vertailtaessa huomataan, että tässä työssä tutkittujen kennojen säteilynkestävyys ei ole aivan yhtä hyvä kuin kaupallisten moniliitoskennojen. Tämä käy järkeen, sillä tutkitut kennot ovat vasta prototyyppejä, eikä niissä ole hyödynnetty säteilyä jarruttavaa suojalasia. Kennoprototyypit osoittautuvat kuitenkin paljon piistä valmistettuja avaruusaurinkokennoja paremmiksi, mikä lupaa hyvää.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8354]