宇宙用の太陽電池パネルの製造は、地上用のものとは異なる特殊な要件を満たす必要がある。
1. 半導体材料
太陽電池に使われる半導体材料には、シリコン(Si)や、ガリウム砒素(GaAs)などの化合物がある。
銀
砒素
金
砒素
太陽電池に使われる半導体材料には、シリコン(Si)や、ガリウム砒素(GaAs)などの化合物がある。
宇宙用には劣化が少なく変換効率の高い単結晶シリコンや単結晶化合物(GaAs系統)が使われいる。
多結晶
液晶
単結晶
単結晶
宇宙用には劣化が少なく変換効率の高い単結晶シリコンや単結晶化合物(GaAs系統)が使われいる。
高効率化合物太陽電池
シャープ社は、シリコン太陽電池に加えて「色素増感」「ペロブスカイト」「化合物」の3つの太陽光発電技術を開発している。
化合物太陽電池は、高い発電効率や軽量、曲面対応などの利点を有しており、すでに人工衛星に搭載されている。
2.コーティング
1.. 熱光学特性
太陽電池は、温度が高くなると発生電力が低下する特性を持っているが、地上では空気による放熱ができる。
放電
放熱
輻射
放熱
太陽電池は、温度が高くなると発生電力が低下する特性を持っているが、地上では空気による放熱ができる。
1. コーティング
1.光吸収
これにより、パネルが吸収する熱量を抑え、パネルの温度上昇を防ぐ。
宇宙用太陽電池パネルの表面には特殊なコーティングが施されており、これにより発電に必要な光(特定の波長の光)だけを吸収し、それ以外の光は反射または透過させる。
吸収
屈折
回折
吸収
参考文献 :参照日2024/1/8
(1) 高効率化合物太陽電池 | 産業用太陽光発電システム:シャープ. https://jp.sharp/business/solar/ifdesign/.
(2) 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか .... https://fanfun.jaxa.jp/faq/detail/77.html.
(3) 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか | JAXA .... https://humans-in-space.jaxa.jp/faq/detail/000473.html.
(4) 耐原子状酸素コーティングの開発|JAXA|研究開発部門. https://www.kenkai.jaxa.jp/research/materialbase/coating.html.
(5) 宇宙用機器を支える接着技術. https://bing.com/search?q=%e5%ae%87%e5%ae%99%e7%94%a8%e3%81%ae%e5%a4%aa%e9%99%bd%e9%9b%bb%e6%b1%a0%e3%83%91%e3%83%8d%e3%83%ab%e3%81%ae%e7%89%b9%e6%ae%8a%e3%81%aa%e3%82%b3%e3%83%bc%e3%83%86%e3%82%a3%e3%83%b3%e3%82%b0.
(6) undefined. https://ifdesign.com/en/winner-ranking/project/sharp-compound-solar-module-for-future-mobility/574902.
(7) undefined. https://corporate.jp.sharp/news/230420-a.html?_ga.
2. 熱放射
真空の宇宙空間では、空気による放熱ができない。
放電
放射
放熱
放熱
真空の宇宙空間では、空気による放熱ができない。
これは、物体が熱を持つとその熱エネルギーを放射するという物理的な性質(ブラックボディ放射)を利用したもの。
ブラックボディ
ホワイトボディ
ブルーボディ
ブラックボディ
これは、物体が熱を持つとその熱エネルギーを放射するという物理的な性質(ブラックボディ放射)を利用したもの。
真空の宇宙空間では放熱ができないので、太陽光のうち発電に必要でない光を吸収しないようにコーティングしたり、放射により熱を逃がす工夫がされている¹。
この放射により、パネルは自身の熱を宇宙空間に放出し、温度を下げることができる。
参考文献:参照日 2024/1/8
(1) 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか | JAXA .... https://humans-in-space.jaxa.jp/faq/detail/000473.html.
(2) 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか .... https://fanfun.jaxa.jp/faq/detail/77.html.
3.耐原子状酸素コーティング
JAXAでは、新しいシリコン系材料であるシルセスキオキサン誘導体(SQコート)を耐原子状酸素コーティングとして、ポリイミドを始めとする宇宙用材料に適用する研究開発を行っている。
耐分子状酸素
耐ラジカル状酸素
耐原子状酸素
耐原子状酸素
JAXAでは、新しいシリコン系材料であるシルセスキオキサン誘導体(SQコート)を耐原子状酸素コーティングとして、ポリイミドを始めとする宇宙用材料に適用する研究開発を行っている。
シルセスキオキサンは、シリコーン(有機的)とシリカ(無機的)の中間的性質を有する有機-無機ハイブリッド材料 耐環境性と柔軟性・施工性(密着性)のバランスが良いため、施工しやすく、割れにくいながらも、放射線、紫外線等の宇宙環境に耐性にも優れている。
無機骨格と光硬化性有機官能基を分子レベルで複合化した有機-無機ハイブリッド材料。
宇宙機の外表面には、断熱のため、高分子フィルムを積層した多層断熱材(MLI:Multi-Layer Insulation)が広く使用されており、これらの材料が原子状酸素により浸食されるのを防ぐためのもの。
高分子フィルム
高強度ガラス
アモルファスガラス
高分子フィルム
宇宙機の外表面には、断熱のため、高分子フィルムを積層した多層断熱材(MLI:Multi-Layer Insulation)が広く使用されており、これらの材料が原子状酸素により浸食されるのを防ぐためのもの。
このコーティングは液状で塗布でき、紫外線照射によって硬化させることが可能で、細かな割れにも侵入し、ポリイミドフィルムを浸食してしまう原子状酸素からの保護を目的としている。.
可視光
紫外線
放射線
紫外線
このコーティングは液状で塗布でき、紫外線照射によって硬化させることが可能で、細かな割れにも侵入し、ポリイミドフィルムを浸食してしまう原子状酸素からの保護を目的としている。.
参考文献 :参照日 2024/1/8
(1) シルセスキオキサン誘導体 | 接着剤 | 東亞合成株式会社. https://www.toagosei.co.jp/products/functional/adhesive/sq_series.html.
(2) 耐原子状酸素コーティングの開発|JAXA|研究開発部門. https://www.kenkai.jaxa.jp/research/materialbase/coating.html.
(3) ナノ構造を制御された無機高分子の合成 | 國武研究室 - 熊本 .... https://www.chem.kumamoto-u.ac.jp/~polymers/research/inorg_polym.html.
(4) 接着剤 | 接着材料事業・新製品開発事業 | 東亞合成株式会社. https://www.toagosei.co.jp/products/functional/adhesive/.
(5) 207 資 料 - 一般社団法人 色材協会. https://shikizai.main.jp/Journal/backnumber/vol90/06/207_211.pdf.
2. 耐放射線性
宇宙用太陽電池は、宇宙空間において常に放射線にさらされるため、シリコン結晶基板に欠陥が発生し、それが移動中の電子を捕獲するため、徐々に電気出力が低下するという問題がある。
励起子
光子
電子
電子
宇宙用太陽電池は、宇宙空間において常に放射線にさらされるため、シリコン結晶基板に欠陥が発生し、それが移動中の電子を捕獲するため、徐々に電気出力が低下するという問題がある。
セルの基板を薄くすると、電子の移動距離が短くなるため、欠陥の影響を受けにくくなり長寿命化することができ、さらに軽量化も図れる。
太陽電池の表面には、低エネルギープロトンによる放射線劣化を低減させる目的でカバーガラスが透明な接着剤で接着されている。
高エネルギー
低エネルギー
超エネルギー
低エネルギー
太陽電池の表面には、低エネルギープロトンによる放射線劣化を低減させる目的でカバーガラスが透明な接着剤で接着されている。
3. 耐環境性と高信頼性
宇宙用太陽電池に限らず、宇宙用部品には民生用とは比べものにならないほど厳しい試験に合格しなければならない。
法律
査察
試験
試験
宇宙用太陽電池に限らず、宇宙用部品には民生用とは比べものにならないほど厳しい試験に合格しなければならない。
打上げから軌道上までの宇宙環境を模擬した、放射線、熱真空、熱サイクル(一定間隔で高温と低温を繰り返す)、振動、衝撃、紫外線などの耐久試験はもちろん、打上げまでの地上環境を模擬した耐湿試験などにも合格しなければならない。
参考文献:参考日時: 2024/1/8
(1) 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか | JAXA .... https://humans-in-space.jaxa.jp/faq/detail/000473.html.
(2) 高効率化合物太陽電池 | 産業用太陽光発電システム:シャープ. https://jp.sharp/business/solar/ifdesign/.
(3) 「宇宙太陽光発電」実証実験へ…天候に左右されない「新 .... https://www.yomiuri.co.jp/politics/20210906-OYT1T50158/.
(4) 宇宙用太陽電池パネル 先端技術研究所 | イプロスものづくり. https://www.ipros.jp/product/detail/2000286797.
(5) undefined. https://ifdesign.com/en/winner-ranking/project/sharp-compound-solar-module-for-future-mobility/574902.
(6) undefined. https://corporate.jp.sharp/news/230420-a.html?_ga.