王健，王志浩，劉業(yè)楠，馮偉泉，徐焱林

太陽(yáng)電池陣等離子體環(huán)境下功率泄漏試驗(yàn)研究

王健，王志浩，劉業(yè)楠，馮偉泉，徐焱林

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

確定太陽(yáng)電池空間等離子環(huán)境下的功率泄漏特性參數(shù)。在地面模擬等離子環(huán)境下，測(cè)量太陽(yáng)電池陣收集電流隨偏置電壓的變化規(guī)律，再根據(jù)計(jì)算模型估算太陽(yáng)電池陣空間環(huán)境下的功率泄漏數(shù)值。太陽(yáng)電池收集電流隨偏置電壓的增大而增大，達(dá)到一定閾值后，發(fā)生收集電流突變現(xiàn)象，實(shí)際測(cè)試電流值大于100 mA，功率泄漏百分比大于14.3%。輝光放電伴隨收集電流突變過程，等離子體鞘層從太陽(yáng)電池的導(dǎo)體部分?jǐn)U展到介質(zhì)部分；收集電流突變發(fā)生后，測(cè)量電池暗特性，未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。針對(duì)未來高電壓大功率太陽(yáng)電池陣，應(yīng)采用功率泄漏試驗(yàn)，檢驗(yàn)其功率泄漏特性，建議綜合考慮多方面的因素規(guī)避發(fā)生收集電流突變風(fēng)險(xiǎn)。

太陽(yáng)電池陣；等離子體；功率泄漏；收集電流突變

根據(jù)朗繆爾探針理論，暴露于等離子體環(huán)境中的導(dǎo)體表面，與環(huán)境中的帶電粒子相互作用，吸收或者排斥等離子體中的帶電粒子，形成收集電流[1]。LEO環(huán)境中的航天器，其導(dǎo)體部分會(huì)形成與環(huán)境中等離子體的電流。該電流與航天器的電源系統(tǒng)構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，消耗電源系統(tǒng)功率，造成功率泄漏問題，放電還能造成太陽(yáng)電池?fù)p傷[2]。

包含導(dǎo)體和介質(zhì)的組件處于等離子體環(huán)境下，導(dǎo)體會(huì)收集介質(zhì)表面產(chǎn)生的二次電子，如果導(dǎo)體相對(duì)于等離子體的電壓達(dá)到某一臨界值，收集電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，往往還伴隨著清晰可見的輝光放電[3-6]。這種伴隨著輝光放電的強(qiáng)電荷收集效應(yīng)，從現(xiàn)象上觀察好像是整個(gè)試樣都變成了能夠收集電荷的導(dǎo)體，就是收集電流突變（國(guó)外一般稱之為snapover）[7-8]。由于收集電流發(fā)生突變時(shí)，收集電流急劇增加，使得航天器電源系統(tǒng)的輸出功率急劇下降，影響航天器正常工作。

對(duì)太陽(yáng)電池陣功率泄漏問題的研究最初采用朗繆爾探針模型進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化，這種模型被證實(shí)在低母線電壓的情況下是適用的，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)高壓太陽(yáng)電池陣，國(guó)外一般采用帶電仿真分析軟件進(jìn)行計(jì)算，分析泄漏電流特性[9]。對(duì)于收集電流突變，無法采用仿真的方式進(jìn)行模擬，因此進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，評(píng)估一定設(shè)計(jì)及工藝約束條件下太陽(yáng)電池陣的功率泄漏特性，給出參考的功率泄漏數(shù)值，就成為評(píng)估太陽(yáng)電池等離子體環(huán)境適應(yīng)性的重要手段。

目前對(duì)于太陽(yáng)電池空間等離子環(huán)境下的功率泄漏問題，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都給出了具體的要求。ISO-CD-11221給出了具體的試驗(yàn)方法，該標(biāo)準(zhǔn)明確要求應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的收集電流突變進(jìn)行評(píng)估[10]。ECSS-E-ST-20-06規(guī)定當(dāng)?shù)蛙壍篮教炱鞑捎酶邏耗妇€時(shí)，應(yīng)通過模擬試驗(yàn)的方式獲得太陽(yáng)電池陣功率泄漏的百分比，并告知用戶[11]。NASA指南TP-212287認(rèn)為收集電流可能較大，應(yīng)特別注意電推進(jìn)及使用等離子體接觸器的情況[3]。美國(guó)格林中心曾利用國(guó)際空間站太陽(yáng)電池進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)生了收集電流突變現(xiàn)象，產(chǎn)生的熱量燒焦了試樣上的聚酰亞胺材料。文中采用硅太陽(yáng)電池樣品，進(jìn)行了測(cè)試研究。

1 試驗(yàn)

選用硅太陽(yáng)電池陣試樣，試樣包含4串各7片太陽(yáng)電池片，電池片尺寸為160 mm×150 mm。太陽(yáng)電池片固定在鋁蜂窩基板上，基板尺寸為260 mm× 240 mm。試驗(yàn)時(shí)，將電池陣的正極和負(fù)極短接，連接到外部的測(cè)量電路，如圖1所示。給定電源輸出偏壓b，測(cè)量太陽(yáng)電池陣試樣的收集電流c。

圖1 功率泄漏試驗(yàn)原理

利用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的CFD-P環(huán)境模擬設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)容器（如圖2所示）是一個(gè)直徑為1.5 m、長(zhǎng)度為3 m的圓柱空腔。使用分子泵（安裝在轉(zhuǎn)接法蘭的另一側(cè)）使容器內(nèi)的工作真空壓力維持在10-2Pa量級(jí)，使用微波電子回旋共振（ECR）型等離子體源，安裝在真空容器軸線的封頭上，通過直徑為250 mm的插板閥與真空容器相接。采用朗繆探針測(cè)量等離子體的參數(shù)。該設(shè)備能夠提供的典型等離子體環(huán)境參數(shù)為：參考LEO，等離子密度為1010~1013m-3[12]；等離子體溫度為0~10 eV。

如圖2所示，將試樣引線通過真空法蘭連接到真空容器外部的數(shù)字表上，使用Keithley公司型號(hào)為2400的數(shù)字表。該數(shù)字表內(nèi)含電源模塊，可對(duì)測(cè)量對(duì)象加載電壓，并測(cè)量回路中的電流，加載電壓的范圍為0~210 V，電流測(cè)量范圍為0~0.1 A。使用攝像設(shè)備，通過石英玻璃觀察窗記錄太陽(yáng)電池樣品的試驗(yàn)過程。試驗(yàn)中，采用等離子體密度為1.05×1013m-3，等離子體溫度為6.4 eV的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 泄漏電流

使用同一塊試樣進(jìn)行兩次試驗(yàn)測(cè)試。偏置電壓與泄漏電流的變化關(guān)系如圖3所示，太陽(yáng)電池陣試樣的收集電流隨著偏置電壓的增大而增大。偏置電壓較低時(shí)，收集電流量值較小，約為毫安量級(jí)，功率泄漏情況較為緩和，是“慢”功率泄漏；當(dāng)偏置電壓升高至一定閾值時(shí)，收集電流急劇增加，大于100 mA，是“快”功率泄漏。另外，前后兩次試驗(yàn)收集電流突變閾值存在著較大的差異，第一次試驗(yàn)的電壓閾值為210 V（與文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)結(jié)果相近），第二次試驗(yàn)的電壓閾值為300 V。同一塊試樣，前后兩次的閾值電壓相差高達(dá)90 V，推測(cè)主要原因是試樣的狀態(tài)在第一次放電之后發(fā)生了變化，導(dǎo)致閾值升高。

圖3 兩次功率泄漏試驗(yàn)收集電流隨偏置電壓的變化

2.2 輝光放電

試驗(yàn)記錄了第一次試驗(yàn)中，當(dāng)偏置電壓達(dá)到閾值時(shí)，觀察窗中的輝光放電現(xiàn)象，如圖4所示。整個(gè)放電過程持續(xù)了將近1 min，收集電流突變現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在試樣的左下方出現(xiàn)了微弱的輝光放電（見圖4a）。隨后范圍逐漸大（見圖4b），此時(shí)已經(jīng)依稀可以分辨出試樣的金屬互連片，但輝光放電較為強(qiáng)烈的部分仍然集中在初始出現(xiàn)輝光放電的區(qū)域。隨著輝光放電強(qiáng)度增強(qiáng)，整個(gè)試樣都籠罩在藍(lán)色的輝光中（見圖4c），此時(shí)金屬互連片處輝光非常明顯。最后太陽(yáng)電池片處的輝光逐漸減弱，金屬互連片處依稀還有少許輝光（見圖4d），然后繼續(xù)減弱，直至完全消失。

圖4 輝光放電

上述輝光放電現(xiàn)象與收集電流增加及太陽(yáng)電池三結(jié)合處放電[14]密切相關(guān)。首先，由于二次電子發(fā)射使得介質(zhì)表面電壓為正，實(shí)際上相當(dāng)于等離子體鞘層從導(dǎo)體部分?jǐn)U展到鄰近的介質(zhì)部分。隨著鞘層的不斷增大（可以從輝光放電現(xiàn)象中得到印證），導(dǎo)體能夠收集到的電子也越來越多，因此電流在一定時(shí)間內(nèi)急劇增大。另一方面，隨著介質(zhì)表面電壓增高，鞘層的厚度也隨之增大（試驗(yàn)中從側(cè)面清晰地看到輝光放電區(qū)域擴(kuò)大），因此導(dǎo)體收集電子的空間增大，所以收集電流也隨之增大，直到輝光擴(kuò)展至整個(gè)試樣范圍最后消失。

2.3 對(duì)試樣暗特性的影響

暗特性是太陽(yáng)電池的重要性能指標(biāo)，通常可通過測(cè)量暗特性變化考察其性能的變化。在試驗(yàn)前后分別測(cè)量試樣每一串的暗特性數(shù)據(jù)，繪制伏安特性曲線，如圖5所示。

對(duì)比上述4串太陽(yáng)電池樣品試驗(yàn)前后的暗特性曲線可知，太陽(yáng)電池陣試樣的暗特性在試驗(yàn)前后無明顯變化。無光照等離子環(huán)境下，太陽(yáng)電池等效電路如圖6所示。在無光照情況下，太陽(yáng)電池可以等效為虛線內(nèi)的二極管與兩個(gè)電阻串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)[10]。其中sh是并聯(lián)分流電阻，s是串電阻。功率泄漏試驗(yàn)時(shí)，P、N極短接，再與電源正極相連，等離子體環(huán)境近似地簡(jiǎn)化為等離子體電阻p。在收集電流突變發(fā)生之前，偏置電壓近似地與收集電流呈線性關(guān)系。此時(shí)由于P、N極等電位，通過太陽(yáng)電池片的泄漏電流非常小，絕大部分收集電流僅通過匯流條（如流經(jīng)p電流），因此太陽(yáng)電池試樣性能產(chǎn)生退化的可能性較小。

圖5 太陽(yáng)電池試驗(yàn)前后伏安特性曲線

圖6 無光照等離子環(huán)境下太陽(yáng)電池等效電路（包含外部直流電源）

2.4 太陽(yáng)電池陣功率泄漏百分比計(jì)算

根據(jù)試樣之前的實(shí)測(cè)光特性曲線，單片太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)的輸出電壓max為0.48 V，最大功率點(diǎn)的輸出電流為max為0.324 A。設(shè)計(jì)公式（1）和（2）分別用于計(jì)算單片太陽(yáng)電池的平均損失功率和太陽(yáng)電池陣的泄漏功率百分比。

式中：avg為單片太陽(yáng)電池泄漏功率，W；V為第次測(cè)量的偏置電壓，V；I為第次測(cè)量的收集電流，A；為試樣所包含的太陽(yáng)電池片數(shù)；為收集電流的測(cè)量次數(shù)。

式中：l為太陽(yáng)電池陣功率泄漏百分比；s為太陽(yáng)電池陣每串包含的電池片數(shù)；bus為太陽(yáng)電池陣母線電壓，V。

根據(jù)式（1）、（2）和試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)太陽(yáng)電池陣母線電壓分別取50、100、150、200、210 V時(shí)的功率泄漏百分比，見表1。

表1 不同母線電壓的太陽(yáng)電池陣功率泄漏百分比

Tab.1 Percentage of power leakage of solar cell array under different bus voltages

由表1數(shù)據(jù)可知，太陽(yáng)電池陣功率泄漏的程度隨著母線電壓的升高而加深。當(dāng)發(fā)生收集電流突變時(shí)，功率損失高達(dá)14.3%（由于計(jì)算時(shí)僅按照100 mA的設(shè)備最大量程代入計(jì)算，因此實(shí)際的功率泄漏數(shù)值要大于14.3%），而空間實(shí)際的情況要嚴(yán)重得多。為了準(zhǔn)確模擬空間實(shí)際功率泄漏特性，應(yīng)對(duì)外接儀器和電路進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)和計(jì)算，保證放電發(fā)生時(shí)測(cè)量回路的電路響應(yīng)特性盡可能與實(shí)際情況一致。另外雖然本研究中通過暗特性測(cè)量未檢查出明顯的電池片損傷，但并不能證明收集電流突變不會(huì)造成電池片的損傷，還需要通過電路分析及試驗(yàn)測(cè)試深化研究。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著空間裝備對(duì)能源需求的日益提高，高電壓大功率太陽(yáng)電池陣的研制也被提上日程，功率泄漏問題會(huì)越發(fā)凸顯，而功率泄漏試驗(yàn)作為一種有效的評(píng)估手段，能夠?qū)μ?yáng)電池系統(tǒng)的防放電設(shè)計(jì)及工藝進(jìn)行模擬驗(yàn)證，應(yīng)予以重視。建議針對(duì)未來高電壓大功率太陽(yáng)電池陣，采用功率泄漏試驗(yàn)檢驗(yàn)其功率泄漏特性，并將收集電流突變作為試驗(yàn)終止條件，一旦收集電流突變發(fā)生，則試驗(yàn)不通過。防護(hù)方面應(yīng)綜合考慮材料、設(shè)計(jì)、工藝及電特性等多方面的因素，以較小的成本規(guī)避發(fā)生收集電流突變的風(fēng)險(xiǎn)。

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WANG Jian (1984—), Male, from Heilongjiang, Senior engineer, Research focus: effect of space environment test evaluation.

Power Leakage Test of Solar Cell Array in Plasma Environment

WANG Jian, WANG Zhi-hao, LIU Ye-nan, FENG Wei-quan, XU Yan-lin

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The work aims to determine the power leakage characteristic parameters of solar cells in space plasma environment. The collected current of solar cell array changing with bias voltage was measured in ground simulated plasma environment, and then the power leakage value of solar cell array in the space environment was estimated according to the calculation model. The collected current of solar cells increased with the increase of bias voltage, and the snapover occurred after reaching certain threshold. The measured current was more than 100 mA and the power leakage percentage was more than 14.3%. With glow discharge accompanied by the snapover, the plasma sheath expanded from the conductor part of solar cells to the dielectric part. When the snapover was over, the dark characteristics of solar cells were measured. No obvious damage was found. For the future high-voltage and high-power solar cell array, the power leakage test should be done to test its power leakage characteristics. It is suggested that comprehensive consideration of various factors should be taken to avoid the risk of snapover.KEY WORDS: solar cell array; plasma; power leakage; snapover

2019-09-28；

2019-11-07

10.7643/ issn.1672-9242.2020.03.005

V416

A

1672-9242(2020)03-0027-05

2019-09-28；

2019-11-07

王?。?984—），男，黑龍江人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)。