黨欣

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

標(biāo)準(zhǔn)介紹與實(shí)施

淺析航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

黨欣

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：分析國(guó)內(nèi)外主要航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多結(jié)太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展，提出我國(guó)航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議。

太陽(yáng)電池標(biāo)定；電池標(biāo)準(zhǔn)；航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

航天器光伏電源系統(tǒng)的研制，必須有高精度的太陽(yáng)電池特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)作為依據(jù)。航天器太陽(yáng)電池陣通常由大量單體太陽(yáng)電池組成，單體太陽(yáng)電池電性能測(cè)試的微小誤差將會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)造成嚴(yán)重的影響。如果測(cè)試結(jié)果偏高，太陽(yáng)電池陣的實(shí)際輸出功率就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成供電不足；如果測(cè)試結(jié)果偏低，則會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣面積、重量以及成本的增加，造成資源的浪費(fèi)。因此，需要太陽(yáng)電池在AM0（大氣質(zhì)量為零狀態(tài)）標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光條件下的參數(shù)，以便獲得標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，作為太陽(yáng)電池、太陽(yáng)電池組合及太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的基準(zhǔn)。

太陽(yáng)電池具有光譜吸收選擇性特點(diǎn)，其電性能與入射太陽(yáng)總輻照度和光譜分布有關(guān)。由于地面太陽(yáng)輻射受到濃厚大氣的吸收，其總輻照度和光譜輻照度分布與大氣層外層的不大相同，而且會(huì)隨不同地區(qū)（緯度）、不同季節(jié)、不同時(shí)刻變化。航天器的運(yùn)行軌道通常是在大氣層以外或者是接近大氣層上界，即航天用太陽(yáng)電池的實(shí)際工作環(huán)境的光照條件也是大氣層外的陽(yáng)光條件。國(guó)際上將大氣層外的陽(yáng)光輻照條件規(guī)定為空間太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試光照條件，稱(chēng)為AM0陽(yáng)光條件，確定標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下短路電流的過(guò)程就是標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的標(biāo)定。

1 國(guó)外航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)際上主要的航天機(jī)構(gòu)在太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域均開(kāi)展了長(zhǎng)期的研究工作。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15387-2005《Space systems-Single-junction solarcells-Measurementandcalibration procedures》（航天系統(tǒng)-單節(jié)太陽(yáng)電池-測(cè)量與標(biāo)定程序）規(guī)定了單節(jié)太陽(yáng)電池測(cè)量與標(biāo)定程序要求，標(biāo)準(zhǔn)正文規(guī)定了大氣質(zhì)量為零狀態(tài)（AM0）下的標(biāo)定要求，在附錄中提供了相關(guān)測(cè)量細(xì)節(jié)。該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)列入了目前實(shí)際應(yīng)用的幾種標(biāo)定方法：高空氣球標(biāo)定法、高空飛機(jī)標(biāo)定法、地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法、太陽(yáng)模擬器法和微分光譜法。

美國(guó)NASA/JPL（國(guó)家航空航天管理局/噴氣實(shí)驗(yàn)室）試驗(yàn)室從上世紀(jì)60年代開(kāi)始使用“高空氣球標(biāo)定法”。其具體做法是：利用高空氦氣球?qū)⑻?yáng)電池送到距地面35km左右的高空，使電池對(duì)日定向并自動(dòng)測(cè)量其短路電流，然后將測(cè)試結(jié)果通過(guò)無(wú)線電傳回地面，測(cè)試結(jié)束后利用降落傘將電池回收。由于在35km左右的高空剩余只有不到0.5%的大氣，地球大氣對(duì)于陽(yáng)光幾乎沒(méi)有影響，這時(shí)的陽(yáng)光條件非常接近AM0陽(yáng)光條件，因此可得到準(zhǔn)確的標(biāo)定結(jié)果。美國(guó)和歐洲的主要航天機(jī)構(gòu)都利用這種手段得到AM0標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池。

美國(guó)NASA劉易斯研究中心從1963年開(kāi)始采用“高空飛機(jī)標(biāo)定法”。其具體做法是：將待標(biāo)定的太陽(yáng)電池安裝在開(kāi)有窗口的高空飛機(jī)上，在不同的飛行高度上測(cè)試電池的短路電流，并計(jì)算出各飛行高度對(duì)應(yīng)的大氣質(zhì)量，畫(huà)出短路電流相對(duì)大氣質(zhì)量的關(guān)系曲線；短路電流的自然對(duì)數(shù)與大氣質(zhì)量呈線性關(guān)系，將曲線外推到大氣質(zhì)量為零處，即可得到標(biāo)定結(jié)果。由于飛機(jī)不能到達(dá)像氣球那樣的高度，不能排除地球大氣對(duì)陽(yáng)光的影響，因此只能用外推的方法得到太陽(yáng)電池的AM0短路電流。與無(wú)人操縱的高空氣球相比，高空飛機(jī)具有更大的靈活性、能夠比較方便地對(duì)日定向、更換和回收太陽(yáng)電池以及受天氣條件影響小等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)NASA仍將其作為AM0標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池的主要標(biāo)定手段。高空飛機(jī)標(biāo)定方法的主要問(wèn)題是：由于采用外推方法，不能排除高層大氣對(duì)陽(yáng)光的影響，需要對(duì)高層大氣的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律有詳細(xì)了解，以及大量的飛行經(jīng)驗(yàn)，否則外推的誤差將會(huì)很大。

“太陽(yáng)模擬器法”和“微分光譜法”可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，使得標(biāo)定工作更加方便。人造太陽(yáng)模擬器光源在光譜上與標(biāo)準(zhǔn)AM0光照條件有一定的差異，會(huì)給測(cè)試帶來(lái)嚴(yán)重的誤差。因此，實(shí)際的標(biāo)定過(guò)程是：選擇一片與被測(cè)太陽(yáng)電池性能一致或接近的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，然后用它來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)模擬器光強(qiáng)，只要將模擬器的光強(qiáng)調(diào)整到能使標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池短路電流輸出與標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的數(shù)值一樣，用這時(shí)的光照條件對(duì)被測(cè)電池進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果就與被測(cè)電池在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的測(cè)試結(jié)果相同。

2 我國(guó)航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

“地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法”為中國(guó)空間技術(shù)研究院（CAST）研究提出的方法（在本文第3章進(jìn)行詳細(xì)介紹）。這種方法可在地面進(jìn)行，不需要高空氣球或飛機(jī)等昂貴的運(yùn)載工具，因此費(fèi)用較低。但由于測(cè)試要求在地面良好的陽(yáng)光條件下進(jìn)行，受天氣的限制較大，需要選擇適當(dāng)?shù)募竟?jié)和地點(diǎn)才能得到準(zhǔn)確的標(biāo)定結(jié)果。

目前，我國(guó)航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6496-1986《航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定的一般規(guī)定》、規(guī)定的地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法。該方法參加了兩次太陽(yáng)電池國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定測(cè)試巡回比對(duì)，測(cè)試結(jié)果偏差在1%左右。該方法通過(guò)光譜修正將在地面陽(yáng)光測(cè)得的太陽(yáng)電池的短路電流換算到標(biāo)準(zhǔn)AM0陽(yáng)光條件下的短路電流標(biāo)定結(jié)果[1]。其標(biāo)定原理是：選擇室外直接陽(yáng)光下測(cè)量太陽(yáng)電池的短路電流、溫度、太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)光譜輻照度，以及測(cè)量太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)，利用公式（1）即可得到太陽(yáng)電池在AM0標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光下短路電流（Isc0）：

式中：Im——太陽(yáng)電池短路電流實(shí)測(cè)值；Em——地面陽(yáng)光輻照度實(shí)測(cè)值；Es（λ）——地面陽(yáng)光光譜輻照度實(shí)測(cè)值；E0（λ）——AM0標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光光譜輻照度；SR——太陽(yáng)電池相對(duì)光譜響應(yīng)實(shí)測(cè)值。

3 地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法的局限性及高空標(biāo)定和空間標(biāo)定方法

3.1 我國(guó)航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定的局限性

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池以其更高的轉(zhuǎn)換效率、更好的抗空間輻照能力、更低的溫度效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代了硅太陽(yáng)電池成為空間主要發(fā)電裝置。多結(jié)太陽(yáng)電池與單節(jié)太陽(yáng)電池的工作原理相同。不同的是單節(jié)太陽(yáng)電池有1個(gè)PN結(jié)組成，吸收特定光譜的太陽(yáng)光，其轉(zhuǎn)換效率較低；多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池由多個(gè)PN結(jié)串聯(lián)組成，采用高導(dǎo)電率、高遂穿電流的隧道結(jié)連接，用不同禁帶寬度的材料制備PN結(jié)，按禁帶寬度大小疊合，分別有選擇性地吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜的不同波段，從而達(dá)到大幅度提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的目的。

多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其標(biāo)定和測(cè)試都變得比單節(jié)電池復(fù)雜得多，采用地面直接陽(yáng)光標(biāo)定方法從理論上遇到了嚴(yán)重的困難。由于多結(jié)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)組成具有復(fù)雜的開(kāi)頭和較寬的波長(zhǎng)范圍，而一般的太陽(yáng)模擬器的光譜輻照度與標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度有較大的差異，使得測(cè)試光源的設(shè)定不能像測(cè)試單節(jié)太陽(yáng)電池那樣通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)模擬器的光強(qiáng)來(lái)完成[2]。因此，只有在太陽(yáng)電池的實(shí)際使用環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)定，才能夠更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其性能指標(biāo)。

3.2 航天用太陽(yáng)電池的高空標(biāo)定和空間標(biāo)定方法

我國(guó)分別于2006年和2012年進(jìn)行了高空氣球標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)搭載的單晶硅和砷化鎵太陽(yáng)電池進(jìn)行了標(biāo)定，取得了初步成果，但在標(biāo)定設(shè)備研制、標(biāo)定程序設(shè)計(jì)等方面還需要改進(jìn)和完善。

空間標(biāo)定是航天太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)外航天機(jī)構(gòu)正規(guī)劃通過(guò)載人空間站進(jìn)行太陽(yáng)電池標(biāo)定。外層空間太陽(yáng)電池標(biāo)定的搭載方法很多，無(wú)論在何種搭載媒介上，在對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，都需要使太陽(yáng)能電池處在最理想的空間標(biāo)定環(huán)境中，其中最主要的是太陽(yáng)光對(duì)太陽(yáng)能電池的直射條件。為促進(jìn)新型太陽(yáng)電池的研制和應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)一套太陽(yáng)電池空間標(biāo)定裝置，保證在對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)能夠使太陽(yáng)直射電池，從而能夠保證采集數(shù)據(jù)的可靠性、有效性和真實(shí)性[3]。

4 建議

目前，我國(guó)航天用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已不完全適應(yīng)多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，需要結(jié)合多結(jié)太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)發(fā)展和實(shí)際測(cè)試情況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。同時(shí)，為了更精確的進(jìn)行太陽(yáng)電池標(biāo)定，需不斷完善高空標(biāo)定技術(shù)、研究發(fā)展空間標(biāo)定技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)航天新型太陽(yáng)電池的研制和應(yīng)用。對(duì)我國(guó)航天太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂建議如下。

a）我國(guó)航天用太陽(yáng)電池高空氣球標(biāo)定技術(shù)尚不完善，空間標(biāo)定尚未開(kāi)展，目前還應(yīng)繼續(xù)沿用地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法。

b）雖然地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法不能直接進(jìn)行多結(jié)太陽(yáng)電池的標(biāo)定，但多結(jié)太陽(yáng)電池可以做成標(biāo)準(zhǔn)子太陽(yáng)電池，標(biāo)準(zhǔn)子太陽(yáng)電池都是單節(jié)結(jié)構(gòu)，多結(jié)太陽(yáng)電池的標(biāo)定可以轉(zhuǎn)化為對(duì)多個(gè)單節(jié)太陽(yáng)電池的標(biāo)定。GB/T 6496-1986應(yīng)增加多結(jié)太陽(yáng)電池采用地面直接陽(yáng)光標(biāo)定法的相關(guān)要求。

c）參考ISO 15387-2006，繼續(xù)開(kāi)展高空氣球標(biāo)定工作，對(duì)測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步驗(yàn)證，確定高空氣球標(biāo)定系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，完善高空氣球標(biāo)定技術(shù)并相應(yīng)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。

d）后續(xù)研究發(fā)展空間標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池最精確的標(biāo)定。

[1]Results from the 1st international AMO calibration round Robin of silicon and GaAs solar cells，3rd WCPVC，2003.5.

[2]孫皓，等．光譜失配對(duì)標(biāo)定太陽(yáng)電池產(chǎn)生的影響分析[J]．中國(guó)軍事科技期刊，2011（5）．

[3]張亞，等．太陽(yáng)電池空間標(biāo)定技術(shù)初探[J]．宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2010（2）．

黨欣（1983年—），男，工程師，現(xiàn)從事航天電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作