院小雪，于錢(qián)，臧衛(wèi)國(guó)，楊東升，周晶晶，姜海富

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

太陽(yáng)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)的工作狀態(tài)，從而影響整個(gè)航天器的工作狀態(tài)[1—3]。目前，航天器普遍采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池在軌運(yùn)行期間，會(huì)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]。

太空中，對(duì)砷化鎵電池產(chǎn)生污染的污染源主要有：航天器用非金屬材料放氣[5—6]；姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射[7]；空間環(huán)境的影響[8—10]。其中，非金屬材料放氣是污染源的重要組成部分。航天器真空熱試驗(yàn)中污染監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果表明，非金屬材料放氣釋放的有機(jī)分子主要為鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類[11—13]。

文中以非金屬材料灰皮電纜放氣產(chǎn)物鄰苯二甲酸酯類為例，分析其對(duì)砷化鎵電池的性能影響，從而為太陽(yáng)電池的污染防護(hù)提供依據(jù)和支持。

1 試驗(yàn)

非金屬材料放氣對(duì)砷化鎵電池性能影響試驗(yàn)包括兩部分：砷化鎵電池性能與透過(guò)率關(guān)系試驗(yàn)和污染物沉積量與透過(guò)率關(guān)系試驗(yàn)。通過(guò)這兩組試驗(yàn)，得到污染物沉積量與太陽(yáng)電池功率損失之間的關(guān)系。

1.1 材料及設(shè)備

試驗(yàn)用品包括砷化鎵電池、石英光學(xué)試片和非金屬材料等。砷化鎵電池尺寸為3 cm×4 cm，短路電流為210 mA，石英光學(xué)試片尺寸為80 mm×80 mm×1 mm。非金屬材料為航天器常用灰皮電纜，其放氣產(chǎn)物為鄰苯二甲酸酯類，無(wú)色透明液體。

砷化鎵電池的性能測(cè)試采用太陽(yáng)模擬器和數(shù)字萬(wàn)用表，測(cè)試其短路電流，測(cè)量電路如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)電池短路電流測(cè)試電路Fig.1 The sketch map of the electrocircuit test for short circuit of solar cell

用U-3900H紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試石英光學(xué)試片的光學(xué)透過(guò)率，其波長(zhǎng)范圍為190～900 nm，光譜帶寬為0.2～4.0 nm。采用石英晶體微量天平測(cè)量非金屬材料的放氣沉積量[14]，其諧振頻率為20 MHz，污染量測(cè)試精度為1.1×10-9g/cm2，污染量測(cè)試范圍為0～1.1×10-5g/cm2。

1.2 試驗(yàn)方案

1）砷化鎵電池性能與透過(guò)率關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)如圖2所示，分別將1，2，5塊光學(xué)試片放置在太陽(yáng)電池片上，進(jìn)行模擬光照下的短路電流測(cè)試，從而得到砷化鎵電池功率損失與透過(guò)率影響之間的關(guān)系。測(cè)試過(guò)程中，將太陽(yáng)電池片正對(duì)太陽(yáng)模擬器光源，使光線垂直入射，按照砷化鎵電池短路電流測(cè)試電路示意圖進(jìn)行測(cè)試。

圖2 透過(guò)率影響試驗(yàn)Fig.2 The sketch map of transmittance effect test

2）污染物沉積量與透過(guò)率關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，在樣品室中放置灰皮電纜，將材料加熱到125℃進(jìn)行烘烤，樣品室開(kāi)口朝向石英光學(xué)試片。分別進(jìn)行不同時(shí)間的材料真空放氣試驗(yàn)，在光學(xué)試片上形成10-6，10-5，10-4g/cm2量級(jí)的污染沉積量，從而得到污染物沉積量與透過(guò)率損失之間的關(guān)系。

圖3 材料放氣試驗(yàn)Fig.3 The sketch map of material outgassing test

2 結(jié)果和討論

2.1 砷化鎵電池功率損失與透過(guò)率影響試驗(yàn)

放置1，2，5塊光學(xué)試片后的透過(guò)率分別為91.90%，85.00%，58.01%。光學(xué)透過(guò)率損失結(jié)果與太陽(yáng)電池短路電流變化的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 光學(xué)透過(guò)率損失與太陽(yáng)電池短路電流變化的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the transmittance loss and the short circuit of solar cell

2.2 污染物沉積量與透過(guò)率損失影響試驗(yàn)

真空放氣沉積后的樣品顯微圖像如圖5所示，在光學(xué)試片表面形成顆粒狀薄膜。針對(duì)不同量級(jí)的污染量，分別測(cè)試了在300～700 nm的透過(guò)率損失情況。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 真空放氣沉積樣品顯微圖像Fig.5 The micrograph of the sample with depositing contaminants in vacuum environment

表1 光學(xué)試片透過(guò)率損失測(cè)試結(jié)果Table 1 The test result of transmittance of optic glasses

光學(xué)透過(guò)率損失結(jié)果與污染沉積量關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 光學(xué)透過(guò)率損失與污染量關(guān)系Fig.6 The relationship between the transmittance loss and the mass of the contaminants

通過(guò)上述試驗(yàn)，得到非金屬材料放氣造成污染沉積量與砷化鎵電池輸出短路電流的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 污染沉積量與短路電流變化曲線Fig.7 The relationship between the mass of the contaminants and the short circuit of solar cell

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論。

1）隨著非金屬材料放氣沉積量的增多，砷化鎵電池的短路電流不斷減小。

2）當(dāng)污染沉積量達(dá)到4×10-5g/cm2時(shí)，砷化鎵電池的短路電流變化量為23 mA，變化率為10.9%；同時(shí)曲線的斜率減小，砷化鎵電池的短路電流變化率減小。

3）當(dāng)污染沉積量達(dá)到1.26×10-4g/cm2時(shí)，砷化鎵電池的短路電流變化量為42 mA，變化率為20.0%；同時(shí)曲線平緩，砷化鎵電池的電流值基本趨于平穩(wěn)。

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