呂 偉

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

太陽電池抗激光輻射效應研究

呂 偉

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

激光武器不僅可用于戰(zhàn)術(shù)防空、戰(zhàn)區(qū)反導，像常規(guī)武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等，同時還可用摧毀對方的衛(wèi)星。介紹了YAG激光武器對衛(wèi)星用太陽電池的輻射效應，通過實驗結(jié)果闡述了激光武器對太陽電池的損傷方式和損傷效應。

激光武器;太陽電池;功率密度

激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。它既可以在地面使用，也可以與航天器相結(jié)合部署在宇宙空間，對對方的空中目標實施閃電般的攻擊，以摧毀對方的偵察衛(wèi)星、預警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等。

衛(wèi)星在軌運行時兩個太陽翼展開，太陽電池直接暴露在外層太空之中，其面積為幾平米到幾十平方米甚至更大，且不像星上其他部件單機有衛(wèi)星蒙皮、機殼提供很大面密度的屏障，所以最容易成為激光攻擊的目標。作為衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要發(fā)電器件，太陽電池是衛(wèi)星電源抗輻射加固的重點。太陽電池陣是整個衛(wèi)星的電力系統(tǒng)，太陽電池陣一旦失效，衛(wèi)星將會因電力缺乏而導致最終失效。

1 工作原理

1.1 太陽電池工作原理

太陽電池陣的作用是在光照期為整個衛(wèi)星及其負載提供電能。太陽電池陣是由單體太陽電池通過串、并聯(lián)構(gòu)成的陣列。

太陽電池利用光生伏特效應將太陽光 (基本為可見光波段)能量轉(zhuǎn)化成電能。目前，衛(wèi)星采用的太陽電池類型為Si(基底為硅)、GaAs(基底為鍺)等。太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基底和PN結(jié)區(qū)、增透膜、防紫外濾光膜、膠層和蓋片(熔融石英或鈰玻璃)、抗靜電涂層等[1]。

激光照射到材料表面時，一部分被材料表面反射、一部分被材料吸收，另一部分通過材料透射。只有被吸收的激光能量才會對材料產(chǎn)生作用。材料對激光的吸收除了取決于材料的種類外，還與激光的波長有關(guān)。連續(xù)的激光輻照太陽電池在國內(nèi)開展的工作較少。

圖1 太陽電池結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 激光武器對太陽電池的損傷機理

激光武器對太陽電池的損傷主要是兩種機理：

(1)對太陽電池的影響表現(xiàn)為熱損傷，隨著輻照過程中電池溫度升高，電性能降低或基本消失，但輻照結(jié)束后，太陽電池的電性能基本恢復，開路電壓Voc和短路電流IS比輻照前要低一些，這主要是由于太陽電池P/N結(jié)還未被擊穿，但被激光輻照的太陽電池正面產(chǎn)生了一個圓形斑痕，在激光光斑區(qū)域產(chǎn)生了較輕微的融蝕，背面的銀膜發(fā)生了氧化變色，因而影響了太陽電池功率。因此在此段功率的激光輻照后，太陽電池以及太陽電池陣供電系統(tǒng)仍能正常工作。

(2)大功率激光輻照太陽電池一定時間后，無論是輻照中還是輻照后，太陽電池皆無電性能，且輻照后電池的電性能永久喪失，不可恢復，即太陽電池P/N結(jié)已被擊穿。

2 實驗

2.1 實驗方案

實驗所用激光武器是YAG(釔鋁石榴石)，波長為1.319 μm，型號為Minilite-Ⅱ，總功率為50 W。通過調(diào)節(jié)激光武器的功率使激光武器的出光功率，在輻照前、輻照過程中的不同時間以及輻照后測試太陽電池的I-V曲線，觀察太陽電池表面變化情況。

2.2 實驗設備

YAG激光武器輻照實驗使用的儀器和設備包括：

(1)激光武器為 YAG 激光武器(1.319 μm、50 W)。

激光武器激光功率密度和能量密度的計算公式分別為：

式中：P為激光功率；t為激光作用時間；d為激光能量的光斑直徑；I0為功率密度；E0為能量密度。

(2)鹵鎢燈：作為太陽輻射的簡易模擬裝置，功率為800 W。

(3)I-V曲線測試儀：型號為MP160，用以測量太陽電池的輸出特性曲線。

(4)功率計：型號為LP-3B、LP-3C，測量范圍為0～200 W。溫度測試儀器。采用PXI-1011數(shù)據(jù)采集儀和K型熱電偶，以及相應的熱電偶調(diào)理模塊組成。

還包括實驗平臺、光學元器件、錄像機、照相機等。

2.3 實驗樣品

本次實驗選用的電池尺寸為：硅電池20 mm×40 mm,砷化鎵電池30 mm×40 mm電池,這是目前太陽電池陣普遍采用的電池。電池樣品如圖2和圖3所示。

圖2 硅單體電池圖

圖3 砷化鎵單體電池

3 實驗結(jié)果

通過調(diào)節(jié)功率和光斑的大小改變了功率密度，同時也做時間上的調(diào)整，經(jīng)過多次正交實驗得出下文的實驗結(jié)果。砷化鎵太陽電池的各個功率點的閾值表，見表1。根據(jù)表1可以繪出功率曲線圖，如圖4和圖5所示。

表1 砷化鎵太陽電池的各個功率點的閾值表

圖4 砷化鎵電池功率損傷曲線

圖5 砷化鎵電池能量損傷曲線

硅太陽電池的各個功率點的閾值表，見表2。根據(jù)表2可以繪出功率曲線圖，如圖6和圖7所示。

由于受激光武器總的功率的限制，實驗中硅太陽電池的損傷閾值在45 W(功率最大)時3.5 s為損傷的最小時間。由于砷化鎵電池的吸收能量比較高，所以在26 W時0.5 s就將電池徹底物理擊穿，而在此功率下根本無法將硅太陽電池擊穿損傷。

表2 硅太陽電池的各個功率點的閾值表

圖6 硅太陽電池損傷功率曲線

圖7 硅太陽電池損傷能量率曲線

由圖8、圖9的溫升曲線可以看出，硅太陽電池和砷化鎵太陽電池的溫升變化規(guī)律是一致的，只是由于功率密度的不同，輻照時間不同造成的最高溫度點不同。

圖8 砷化鎵太陽電池光照期間溫度變化(166 W/cm2)

圖9 硅太陽電池光照期間溫度變化(396 W/cm2)

對實驗過的電池進行拍照，圖10為被擊穿(無性能)的硅太陽電池，圖11為激光擊打點的放大圖(放大250倍)。圖12為未被擊穿(有電性能且與輻照前相同)的硅太陽電池，圖13為激光擊打點的放大圖(放大250倍)。圖14為被擊穿(無性能)的砷化鎵太陽電池，圖15為激光擊打點的放大圖(放大250倍)。圖16為未被擊穿(有電性能且與輻照前相同)的砷化鎵太陽電池，圖17為激光擊打點的放大圖(放大250倍)。

圖10 無性能硅電池（擊穿）

圖11 激光輻照的硅電池放大圖

圖12 激光輻照的硅電池（未擊穿）

圖13 激光輻照的硅電池放大圖

圖14 激光輻照的砷化鎵電池（未擊穿）

圖15 激光輻照的砷化鎵電池放大圖

圖16 激光輻照的砷化鎵電池（擊穿）

圖17 激光輻照的砷化鎵電池放大圖

4 結(jié)論

YAG激光對太陽電池的損傷主要是熱燒蝕效應。當YAG激光照射到太陽電池表面時，其一部分被太陽電池表面反射，而另一部分則被太陽電池的基體(太陽電池以及抗輻照玻璃蓋片)吸收。當YAG激光光束照射到太陽電池上時，由于太陽電池表面的抗輻照玻璃蓋片對1.319 μm的YAG激光的透過率很高，達93%以上，絕大部分的YAG激光的透過玻璃蓋片，其中一部分被太陽電池反射掉，而另一部分則被太陽電池吸收。這些能量被太陽電池吸收后，使太陽電池局部溫度升高，由于太陽電池的反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，其上升速度很快，因此，隨著太陽電池結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，進而又導致結(jié)溫上升，反向飽和電流密度增大。當激光功率達到一定閾值時，如此反復下去，最后使反向飽和密度無限增大而發(fā)生PN結(jié)擊穿。于是太陽電池電性能永久失效，并不可恢復。需要說明的是，被輻照后太陽電池表面較大的圓形斑痕并不是激光作用光斑，而是激光加熱硅或砷化鎵材料以后，通過熱傳導的方式再加熱玻璃蓋片，導致玻璃蓋片與硅材料的接觸面被融蝕后產(chǎn)生的。

[1]漢斯.S.勞申巴赫.太陽電池陣設計手冊[M].張金熹，廖春發(fā)，傅德棣，等譯.北京:宇航出版社,1987：125-129.

Effect of laser's radiation on solar cell

LV Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Laser can not only apply to tactical air defense,war zone anti-missile,attack and slaughter enemy as conventional weapon,destroy tank and plane,but also apply to destroy enemies'satellite.The effects of YAG laser's radiation on solar cell for satellite were introduced,which was applied to satellite,and the laser's damage ways and the effect on solar cell were explained according to experience's result.

laser;solar cell;power density

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1022-03

2016-12-15

呂偉（1972—），男，天津市人，碩士，高級工程師，主要研究方向為太陽電池陣。