雷 剛，曹佳曄，王藝帆

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

自1958年世界上首顆采用常規(guī)硅太陽電池供電的衛(wèi)星——美國先鋒一號（Vanguard I）成功發(fā)射起，世界上很多航天器將各種類型的硅太陽電池作為主電源。為抵御空間環(huán)境中粒子輻照對電池的損傷從而影響電池性能，一般在電池的上表面粘貼摻二氧化鈰抗輻照玻璃蓋片制成疊層電池。硅太陽電池的工作狀態(tài)與電池溫度密切相關(guān)，電池溫度每升高1℃，輸出功率將減少0.4%～0.5%［1］。尤其是采用陷光結(jié)構(gòu)的高效硅太陽電池，因?qū)t外光的吸收強(qiáng)烈，其太陽吸收率高達(dá)0.86以上，輸出功率會(huì)因溫度升高而顯著下降，這大大降低了其競爭優(yōu)勢。為解決該問題，需采用多層光學(xué)薄膜的干涉作用以過濾對電池轉(zhuǎn)換效率無貢獻(xiàn)的紅外光。國外對此開展了大量研究并已在空間領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用：MULLANEY等最先報(bào)道了采用紅外濾光技術(shù)使硅電池的太陽吸收率降低到0.77以下；RUSSELL等研究了更寬通帶的紅外濾光技術(shù)并用于三結(jié)砷化鎵電池，使三結(jié)砷化鎵電池的太陽吸收率降低到0.83以下；QIOPTIQ公司已形成了系列產(chǎn)品并用于多個(gè)航天器［2－7］。但國內(nèi)尚缺乏系統(tǒng)的研究，更無空間應(yīng)用實(shí)例。為此，本文對空間用太陽電池紅外干涉截止濾光技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 理論分析

1.1 玻璃蓋片透射率對電池性能的影響

定義太陽電池轉(zhuǎn)換效率

式中：VOC為開路電壓；JSC為短路電流密度；γFF為填充因子；P為AM0太陽常數(shù)。

太陽電池的JSC取決于入射光的強(qiáng)度和量子效率，有

式中：q為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；c為真空光速；λ為波長；P（λ）為AM0光譜的輻照度（如圖1所示）；Q（λ）為太陽電池的外量子效率，其定義為波長λ的單色入射光的光子數(shù)量與電極收集的載流子比，可由量子效率測試儀測出。

圖1 AM0光譜輻照度分布Fig.1 AM0spectrum

太陽電池在空間應(yīng)用時(shí)，需粘貼抗輻照玻璃蓋片制成疊層太陽電池，如圖2所示。設(shè)玻璃蓋片的透射率為T（λ），則入射到電池表面的光強(qiáng)為P（λ）T（λ），有

由此可知，玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的的透射率越高，電池的轉(zhuǎn)換效率就越高。因此，玻璃蓋片的上表面一般蒸鍍一層MgF2減反射膜（AR），以提高蓋片的透射率，這種蓋片在400～2 000nm的廣大范圍內(nèi)透射率均大于90%。

圖2 疊層太陽電池Fig.2 Solar cell with coverglass

1.2 玻璃蓋片反射率對電池性能的影響

太陽電池陣在空間吸收太陽光的能量而被加熱并以熱輻射的方式向周圍散熱，根據(jù)熱平衡方程可推導(dǎo)出太陽電池的工作溫度

式中：αS為疊層電池的太陽吸收率；FP為布片系數(shù)；η為電池在軌轉(zhuǎn)換效率；εF，εB分別為電池陣的正、背面半球向輻射率；σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)［8］。

對式（4）求導(dǎo)，為簡化計(jì)算忽略η隨溫度的變化，可得

式（5）除以式（4）可得太陽電池的工作溫度變化與太陽吸收率變化間的關(guān)系為

定義太陽吸收率

式中：R（λ）為疊層電池的反射率。由此可知：為降低太陽吸收率，降低電池的工作溫度，從而提高電池的在軌輸出功率，需提高太陽電池響應(yīng)光譜范圍外的反射率。

因蒸鍍MgF2減反射膜的普通玻璃蓋片有很高的透射率，故疊層電池的反射率主要取決于裸電池的反射率。受電池結(jié)構(gòu)影響，裸電池在紅外波段無法得到很高的反射率，尤其是采用了陷光結(jié)構(gòu)的高效硅太陽電池，其紅外波段的反射率小于50%，因此較高的太陽吸收率影響了空間使用效果。

一種有效的解決方法是在玻璃蓋片上制備紅外干涉截止濾光片，濾光片的通帶保證對電池有用的光能順利通過，而截止帶阻止對電池轉(zhuǎn)換效率無貢獻(xiàn)的紅外光進(jìn)入電池，從而在保證不影響電池轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上降低電池的太陽吸收率。

2 紅外干涉截止濾光片設(shè)計(jì)

紅外干涉截止濾光片（IRR）的基本原理是在玻璃基片上制備一系列特定組合的薄膜，利用光的干涉作用，使薄膜在可見光波段呈現(xiàn)高透射率的通帶，而在紅外波段呈現(xiàn)高反射率的截止帶。硅太陽電池的響應(yīng)光譜為400～1 100nm，濾波片的通帶寬度需大于700nm。為降低玻璃蓋片對可用光的反射率，在上表面需蒸鍍一層減反射膜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采用紅外截止濾光片的玻璃蓋片結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of IRR structure

圖4 采用 ［L］S膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IRR透射光譜Fig.4 Transmission spectrum of IRR with structure of［L］S

為改善IRR的性能，可在上述兩種材料間插入一種介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料的折射率介于上述兩種材料間，且三種材料的折射率實(shí)部盡可能接近，即構(gòu)成［LMHML］S膜系［9］。為進(jìn)一步改善通帶寬度，需對［LMHML］S膜系進(jìn)行優(yōu)化。以前的優(yōu)化方法是在該膜系的兩側(cè)再增加其他中心波長的［LMHML］膜層［10］。本文用 TFCalc軟件直接對［LMHML］S膜系中每層的膜厚進(jìn)行優(yōu)化處理，可獲得更好的效果，優(yōu)化后的透射光譜如圖5所示。由圖可知：改進(jìn)后IRR的通帶為400～1 100nm，透射率大于95%，截止帶透射率接近0%，可滿足硅太陽電池的要求。

3 紅外干涉截止濾光片制備與測試

在光學(xué)真空鍍膜機(jī)中制備紅外干涉截止濾光片，采用電子束蒸發(fā)的方式在玻璃蓋片上蒸鍍帶通膜，由晶振膜厚控制儀保證膜厚的精度，并采用了離子輔助技術(shù)。

圖5 采用［LMHML］S膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IRR透射光譜Fig.5 Transmission spectrum of IRR with structure of［LMHML］S

采用Cary5000型紫外－可見光－近紅外分光光度計(jì)對制備的IRR的透射光譜進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖6所示。由圖可知：采用IRR后玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的透射率基本達(dá)到了普通玻璃蓋片的水平，在大于1 200nm處的紅外光透射率明顯低于普通玻璃蓋片，說明IRR對紅外光有良好的截止作用。

圖6 采用IRR蓋片和普通蓋片的透射光譜實(shí)測值Fig.6 Transmission spectrum of cover glass with IRR and AR

4 紅外干涉截止濾光片性能分析

將采用IRR的玻璃蓋片貼在背場硅太陽電池（BSFR）和高效硅太陽電池（PERL）上制成疊層電池，對疊層電池的反射率R進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖7、8所示。對疊層電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下（AM0、25℃）的短路電流和輸出功率進(jìn)行了測試，并由式（6）、（7）計(jì)算采用IRR后太陽電池的太陽吸收率和在軌性能變化，結(jié)果見表1。上述測試和計(jì)算均以普通玻璃蓋片作為基準(zhǔn)。

由圖7、8可知：采用IRR后，BSFR，PERL對紅外光的反射率均明顯上升，其中對紅外光吸收較強(qiáng)烈的高效硅太陽電池的提升效果更明顯。由表1可知：采用IRR后，BSFR，PERL在標(biāo)準(zhǔn)條件下的輸出功率略有下降，這是因?yàn)椴捎肐RR后玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的透射率總體略降，但太陽吸收率以及在軌工作溫度與普通蓋片相比出現(xiàn)明顯下降，因此在軌輸出功率有顯著上升，尤其是PERL的在軌輸出功率提升了3.3%，效果明顯。

圖7 采用IRR蓋片和普通蓋片的BSFR疊層電池的反射光譜Fig.7 Reflectance spectrum of BSFR cells with BRR and AR

圖8 采用IRR蓋片和普通蓋片的PERL疊層電池的反射光譜Fig.8 Reflectance spectrum of PERL cells with BRR and AR

表1 采用IRR后太陽電池性能變化Tab.1 Efficiency gains for IRR on silicon cells

5 結(jié)束語

本文對空間用太陽電池紅外干涉截止濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種紅外干涉截止濾光片，用電子束蒸發(fā)方式在玻璃蓋片上制備出符合設(shè)計(jì)要求的濾光片。對濾光片性能的測試結(jié)果表明：研制的濾波片可有效過濾對硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率無貢獻(xiàn)的紅外光，硅太陽電池在軌工作溫度降低5～10℃，輸出功率增加1.4%～3.3%。該濾光片的研制對促進(jìn)高效硅太陽電池的空間應(yīng)用有一定的意義。

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