龐壽成，院小雪，臧衛(wèi)國，于 錢，楊東升

（1. 北京空間機電研究所，北京 100094； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

引言

太陽電池陣作為航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而影響整個航天器的工作狀態(tài)[1-3]。太陽電池（三結(jié)砷化鎵太陽電池和鎵銦磷頂太陽電池）在軌運行期間，會受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環(huán)境及誘導(dǎo)環(huán)境的影響[4-5]，其中污染與紫外協(xié)合對太陽電池的開路電壓和短路電流產(chǎn)生影響，從而造成性能下降。

污染物對太陽電池輸出功率的影響因素是蓋片上沉積的污染膜的吸附和反射造成的光遮蔽效應(yīng)，減少了到達太陽電池上的光照，使得輸出功率下降。紫外輻照對航天器污染效應(yīng)的影響的主要體現(xiàn)在導(dǎo)致污染分子撞擊到被污染表面時發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，影響污染分子在被污染表面的凝結(jié)效率，已沉積在被污染表面上的污染膜在紫外輻射下還會發(fā)生定影、發(fā)黑現(xiàn)象，改變污染膜的光學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致污染膜對被污染表面效應(yīng)的增強。

1 試驗及測試設(shè)備

太陽電池污染效應(yīng)試驗設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、材料放氣控制系統(tǒng)、污染量測試系統(tǒng)、太陽電池污染沉積控制系統(tǒng)組成。材料放氣控制系統(tǒng)包括放氣室、材料溫度控制系統(tǒng)；污染量測試系統(tǒng)由石英晶體微量天平及其測控系統(tǒng)組成，太陽電池污染沉積控制系統(tǒng)包括沉積平臺和太陽電池片安裝機構(gòu)。放氣材料選用星用非金屬材料，置于放氣室內(nèi)，加熱放氣可凝揮發(fā)物沉積在太陽電池片和石英晶體微量天平，其中太陽電池片和石英晶體微量天平放置在同一水平面上，石英晶體微量天平用來測量污染物沉積量。

太陽電池污染與紫外效應(yīng)試驗設(shè)備在真空、溫度試驗設(shè)備上增加一套紫外輻照系統(tǒng)。紫外輻照系統(tǒng)采用氘燈作為光源，其波段為115～200 nm。

試驗設(shè)備見圖1所示。在太陽電池污染效應(yīng)試驗時，切斷氘燈電源，使其處于不工作狀態(tài)。

實驗設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下：

1）真空容器真空度：優(yōu)于7.0×10-3Pa；

2）材料放氣控制系統(tǒng)溫度控制精度：優(yōu)于0.5 K；

3）污染量靈敏度：優(yōu)于2×10-9g/（cm2·Hz）。

太陽電池性能測試系統(tǒng)采用太陽模擬器和數(shù)字表。通過太陽電池性能測試裝置（見圖2）測量太陽電池取樣電阻電壓在實驗前后的變化。太陽模擬器的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)如下：

1）輻照度：1個太陽常數(shù)；

2）光斑均勻區(qū)范圍：不小于樣品尺寸。

2 試驗程序

圖1 溫度、真空與紫外輻照試驗設(shè)備示意圖

2.1 試驗準(zhǔn)備

試驗準(zhǔn)備工作內(nèi)容如下：

1）對真空容器內(nèi)部及外部進行清潔；

2）試驗前檢查，調(diào)試各臺儀器設(shè)備，保證其能正常工作；

3）進行空載試驗，試驗狀態(tài)確認(rèn)；

4）測量并記錄試驗前太陽電池片的取樣電阻電壓；

5）根據(jù)任務(wù)書確定試驗時間、材料加熱溫度、沉積板溫度、沉積量限定值。

2.2 試驗過程

2.2.1 太陽電池污染效應(yīng)試驗

太陽電池污染效應(yīng)試驗試驗過程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)。

2）將石英晶體微量天平與太陽電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽電池在平面中心附近對稱放置。

圖2 太陽電池性能測試裝置示意圖

3）通電，啟動循環(huán)水系統(tǒng)，開啟熱偶計，啟動機械泵，打開粗抽閥，抽真空室。

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動分子泵。

5）分子泵正常后，且熱偶計到0.1 P后，開啟電離計。真空度達到試驗要求后，進入試驗工況程序。

6）試驗開始后，用加熱片對樣品室進行加熱到125℃，同時實時監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達某一量級時，進入設(shè)備關(guān)機工況。

7）設(shè)備關(guān)機：關(guān)閉電離計和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染效應(yīng)試驗結(jié)束。

2.2.2 太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗

太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗試驗過程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)；

2）將石英晶體微量天平與太陽電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽電池在平面中心附近對稱放置；

3）通電，啟動循環(huán)水系統(tǒng)，開啟熱偶計；啟動機械泵；打開粗抽閥，抽真空室；

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動分子泵；

5）分子泵正常后，且熱偶計到0.1 P后，開啟電離計。真空度達到試驗要求后（根據(jù)要求，可啟動液氮系統(tǒng)），進入試驗工況程序（注意檢查循環(huán)水系統(tǒng)）；

6）試驗開始后，用加熱片對樣品室進行加熱到125℃，打開紫外輻照系統(tǒng)電源，對太陽電池進行輻照。同時實時監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達某一量級時（根據(jù)任務(wù)書要求設(shè)置三組不同的污染量），進入設(shè)備關(guān)機工況。

7）設(shè)備關(guān)機：關(guān)閉電離計和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗試驗結(jié)束。

2.3 試驗后測試

試驗后測試過程如下：

1）打開太陽模擬器電源，預(yù)熱10 min；

2）將試驗后的太陽電池片放置在太陽電池性能測試平臺上；

3）用數(shù)字表測量太陽電池取樣電阻兩端的取樣電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗數(shù)據(jù)處理

3.1 概述

太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗的數(shù)據(jù)處理是為了得到污染沉積量/紫外輻照和太陽電池性能變化之間的關(guān)系。因此數(shù)據(jù)處理包括兩部分內(nèi)容：污染沉積量的數(shù)據(jù)處理和太陽電池取樣電阻電壓變化率的數(shù)據(jù)處理。

3.2 沉積污染量計算

污染沉積量計算公式為：

式中，m—太陽電池片上的污染沉積量，g/cm2；

δ—石英晶體傳感因子，對20 MHz石英晶片δ值為1.1×10-9g/（cm2.Hz）；

ff—石英晶體微量天平最終頻率，Hz；

fi—石英晶體微量天平初始頻率，Hz。

3.3 取樣電阻電壓變化率計算

太陽電池取樣電阻電壓變化率計算公式為：

式中，ΔVR—取樣電阻電壓變化率，%；

VR0—試驗前太陽電池片取樣電阻電壓值，V；

VR1——試驗后太陽電池片取樣電阻電壓值，V。

4 結(jié)束語

隨著長壽命高可靠航天器的發(fā)展，對航天器設(shè)計提出了越來越高的要求。本文提出的太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗方法可以為航天器電源系統(tǒng)設(shè)計提供參考，減少設(shè)計余量，降低設(shè)計成本。

[1]B.E. Wood, B.D. Green. Materials Outgassing Effects and Satellite Contamination Database [C]. 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 10-13 January 2000,AIAA 2000-0241.

[2]院小雪，周傳良，楊東升.航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程，2012.29(2):168-172.

[3]院小雪, 龐賀偉, 周傳良. 分子污染對衛(wèi)星太陽電池翼輸出功率的衰減研究[J]. 宇航學(xué)報, 2007, 28(1): 118-123.

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