孫希鵬，李曉東，杜永超,2

(1.天津恒電空間電源有限公司，天津 300384；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。根據(jù)發(fā)射激光的工作物質(zhì)狀態(tài)的不同，可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等。激光具有很好的方向性，發(fā)散角非常小，通常在毫弧度量級(jí)(mrad)，因此，激光武器能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)打擊，其攻擊范圍可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千米。

激光武器對(duì)于目標(biāo)的破壞效應(yīng)主要包括燒蝕效應(yīng)、激波效應(yīng)以及輻射效應(yīng)。激光武器的破壞效應(yīng)已被廣泛運(yùn)用于防空、反坦克、反導(dǎo)彈等方面。激光武器命中目標(biāo)后，會(huì)造成目標(biāo)功能的短暫或永久性失效，在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上具有效率高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。美國目前已發(fā)展了機(jī)載、艦載、車載、天基和地基等激光武器，研制出了在宇宙空間中運(yùn)行的激光戰(zhàn)斗衛(wèi)星，對(duì)空間軌道中的人造衛(wèi)星等航天器造成重大威脅[1]。

激光武器對(duì)人造衛(wèi)星的破壞效果可分為兩種。一種是對(duì)重點(diǎn)元器件的破壞，如某些光學(xué)元件或靈敏度較高的探測(cè)系統(tǒng)，被破壞后會(huì)使得衛(wèi)星的重點(diǎn)功能失效。另一種是對(duì)能源系統(tǒng)的破壞，即對(duì)衛(wèi)星太陽電池翼的破壞。太陽電池是人造衛(wèi)星等航天器的主要能量來源，當(dāng)人造衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，完全展開的太陽電池翼面積是衛(wèi)星主機(jī)部分的數(shù)倍甚至十?dāng)?shù)倍，因此太陽電池翼也是激光武器的主要攻擊對(duì)象[2]。一旦太陽電池翼受到破壞，電池局部或整體必然發(fā)生失效，最終導(dǎo)致衛(wèi)星失去電力供應(yīng)，無法正常工作，甚至失控墜毀。

為了確保我國衛(wèi)星的在軌運(yùn)行安全，迫切地需要對(duì)衛(wèi)星，尤其是衛(wèi)星太陽電池的激光防護(hù)加固措施展開深入研究。由于衛(wèi)星太陽電池需要持續(xù)接收太陽光以產(chǎn)生電能，因此無法采用遮蔽的手段實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)，比較有效的方式是在太陽電池用玻璃蓋片的表面沉積功能性薄膜[3]，在確保太陽電池的在軌輸出功率滿足使用要求的同時(shí)，提高其對(duì)某波長(zhǎng)激光的反射效果，從而實(shí)現(xiàn)太陽電池陣的激光防護(hù)。本文設(shè)計(jì)并制備了一種可提高太陽電池對(duì)1 064 nm 波長(zhǎng)激光防護(hù)閾值的玻璃蓋片(簡(jiǎn)稱激光防護(hù)蓋片)，研究了激光防護(hù)蓋片對(duì)太陽電池效率的影響以及對(duì)1 064 nm 激光的防護(hù)效果。

1 激光防護(hù)蓋片設(shè)計(jì)與制備

1.1 激光防護(hù)蓋片設(shè)計(jì)

三結(jié)砷化鎵太陽電池由頂結(jié)GaInP 子電池、中間結(jié)GaAs子電池及底結(jié)Ge 子電池串聯(lián)而成，電池總光譜響應(yīng)范圍為300～1 800 nm。AM0 太陽光譜歸一化曲線與典型三結(jié)太陽電池外量子效率(EQE)測(cè)試曲線如圖1 所示。在AM0 光譜下，GaInP 子電池產(chǎn)生的光電流IGaInP和GaAs 子電池產(chǎn)生的光電流IGaAs比較接近，Ge 子電池光電流IGe相對(duì)較高[4]，各結(jié)子電池的光電流關(guān)系為IGaInP≈IGaAs≈0.7IGe。

圖1 AM0太陽光譜歸一化曲線與典型三結(jié)太陽電池EQE曲線

需要防護(hù)的激光波長(zhǎng)為1 064 nm，在Ge 子電池的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)1 064 nm 的光線進(jìn)行適當(dāng)反射，直至Ge 子電池光電流IGe’略高于其它兩結(jié)，既不會(huì)對(duì)電池整體性能造成過大衰降，還可以提高太陽電池對(duì)1 064 nm 激光的防護(hù)閾值。在粘貼激光防護(hù)蓋片后，太陽電池各結(jié)子電池的電流關(guān)系應(yīng)滿足式(1)，激光防護(hù)蓋片反射率R(λ)應(yīng)滿足式(2)。

式 中：SR(λ)為太陽電池的響應(yīng)度；P(λ)為AM0光譜強(qiáng)度；IGaInP、IGaAs、SR(λ)均是通過測(cè)量典型三結(jié)太陽電池EQE得到。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)R(1 064 nm)=60%，反射峰半高寬約為250 nm 時(shí)，現(xiàn)有測(cè)試數(shù)據(jù)可滿足式(1)～(2)的數(shù)值關(guān)系，而在其他波段內(nèi)，尤其是在400～900 nm 的短波波段，表面反射損失應(yīng)越低越好，這樣可使IGaInP和IGaAs在貼片后不發(fā)生明顯衰降。以此為目標(biāo)進(jìn)行激光防護(hù)蓋片的光學(xué)膜層設(shè)計(jì)，根據(jù)菲涅爾公式[5]，玻璃蓋片表面的激光防護(hù)膜應(yīng)由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替沉積而成，其初始結(jié)構(gòu)如式(3)所示。

式中：H代表四分之一波長(zhǎng)厚度的高折射率材料；L代表四分之一波長(zhǎng)厚度的低折射率薄膜材料，兩種材料均為透明氧化物。

在Macleod 軟件中對(duì)膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，首先通過Needle synthesis 利用梯度信息進(jìn)行膜層優(yōu)化。待品質(zhì)因數(shù)小于10 后，清除厚度小于10 nm 的膜層，鎖定除最外2 層和最內(nèi)2 層之外的其他膜層，使用Simplex 對(duì)最外2 層和最內(nèi)2 層進(jìn)行快速優(yōu)化，最終得到非周期性的激光防護(hù)膜層設(shè)計(jì)，其透射率模擬曲線如圖2 所示。

圖2 激光防護(hù)蓋片透射率模擬曲線

1.2 激光防護(hù)蓋片制備

采用電子束熱蒸發(fā)、離子源輔助的方式，在90 μm 厚度的抗輻照玻璃蓋片表面沉積上述膜層。烘烤溫度為150 ℃，沉積過程中通入氬氣作為離子源的工作氣體，通入氧氣作為氧化物材料的反應(yīng)氣體。制備得到的激光防護(hù)蓋片樣品如圖3所示，由于兩種薄膜材料分別表現(xiàn)為壓應(yīng)力和張應(yīng)力，因此二者應(yīng)力相互抵消使得激光防護(hù)蓋片未表現(xiàn)出明顯翹曲，其翹曲度小于0.02 mm。

圖3 激光防護(hù)蓋片實(shí)物圖

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)特性

使用分光光度計(jì)，在積分球模式下分別測(cè)量激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片的透射率，同時(shí)與激光防護(hù)蓋片的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，繪制曲線如圖4 所示，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1 所示。結(jié)果表明，激光防護(hù)蓋片的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值具有良好的符合度，在波長(zhǎng)小于400 nm 的短波部分因多層薄膜的吸收作用導(dǎo)致透射率略有降低，但仍可滿足使用要求。對(duì)比激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片，其透射率差異主要出現(xiàn)在波長(zhǎng)大于900 nm 的中長(zhǎng)波區(qū)域，對(duì)于三結(jié)砷化鎵太陽電池，雖會(huì)導(dǎo)致Ge 子電池電流的部分衰降，但仍可大于前兩個(gè)子電池的電流值，對(duì)電池電流的輸出不會(huì)造成明顯影響。由于選擇的膜層在1 064 nm處的吸收較低可忽略不計(jì)，樣品在1 064 nm 處的透射率小于40%，其在1 064 nm 處的反射率可達(dá)60%以上。

圖4 激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片的透射率對(duì)比曲線

表1 激光防護(hù)蓋片與MgF2 蓋片的透射率 %

2.2 膜層牢固度與環(huán)境適應(yīng)性

對(duì)激光防護(hù)蓋片進(jìn)行煮水摩擦試驗(yàn)，檢查蓋片表面膜層的牢固度。將樣品置于沸騰的去離子水中煮沸15 min 后取出擦干，用橡皮摩擦帶膜表面，膜層未出現(xiàn)脫落。樣品煮水后進(jìn)行透射率測(cè)試，膜層反射中心出現(xiàn)了細(xì)微的偏移，光學(xué)特性仍滿足要求。

對(duì)激光防護(hù)蓋片進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)，考查其環(huán)境適應(yīng)性。樣品在-180～100 ℃循環(huán)6 次，取出后膜層未出現(xiàn)脫落，樣品無明顯形變，光學(xué)特性無明顯變化。

2.3 貼片后反射率

在三結(jié)砷化鎵太陽電池表面分別粘貼激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片，組合成CIC 組件，測(cè)量組件整體的反射率，反射率曲線如圖5 所示。MgF2蓋片CIC 組件在1 064 nm 處反射率為14.99%，激光防護(hù)蓋片CIC 組件在1 064 nm 處反射率為64.13%。CIC 組件對(duì)1 064 nm 激光的耐受閾值與其對(duì)此波長(zhǎng)的激光的吸收率呈反比，因此在垂直入射條件下，理論上激光防護(hù)蓋片CIC 組件的1 064 nm 激光耐受閾值是MgF2蓋片CIC 組件的2.37 倍。

圖5 激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片組件的反射率曲線

2.4 貼片后電性能

分別測(cè)量三結(jié)砷化鎵太陽電池在粘貼激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片前后的電性能[AM0,(25±2) ℃,135.3 mW/cm2]，結(jié)果如表2 所示。雖然與MgF2蓋片相比，貼激光防護(hù)蓋片后效率衰降增加了1.71%，但此衰降值較小，仍可滿足型號(hào)產(chǎn)品的使用要求。

表2 激光防護(hù)蓋片與MgF2 蓋片貼片前后電池性能

貼片后的兩種組件的EQE曲線如圖6 所示，測(cè)試得到的不同波段響應(yīng)電流密度如表3 所示。雖然激光防護(hù)蓋片對(duì)太陽電池的底結(jié)衰降比較明顯，但底結(jié)子電池的響應(yīng)電流密度仍比前兩結(jié)子電池的響應(yīng)電流密度高出約15%，這就盡可能地降低了激光防護(hù)蓋片對(duì)太陽電池電流輸出的影響。另一方面，因空間環(huán)境輻照所導(dǎo)致的電池性能衰降也不會(huì)因使用激光防護(hù)蓋片而被進(jìn)一步擴(kuò)大。

表3 激光防護(hù)蓋片組件與MgF2 蓋片組件的響應(yīng)電流密度 mA/cm2

圖6 激光防護(hù)蓋片和MgF2蓋片組件的EQE對(duì)比曲線

2.5 吸收系數(shù)

根據(jù)反射率數(shù)值，計(jì)算激光防護(hù)蓋片組件和MgF2蓋片組件的吸收系數(shù)，分別為0.820 和0.883。激光防護(hù)蓋片組件與MgF2蓋片組件相比，吸收系數(shù)下降了0.063，預(yù)計(jì)可使其在軌溫度降低約6.3 ℃，在軌輸出效率提高1.6%。因此，激光防護(hù)蓋片比MgF2蓋片具有一定的在軌使用優(yōu)勢(shì)。

2.6 激光防護(hù)能力

為了研究激光防護(hù)蓋片的激光防護(hù)能力，在真空環(huán)境下模擬空間應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行激光照射試驗(yàn)。太陽電池組件使用硅膠粘貼在蜂窩鋁基板上，1 064 nm 激光經(jīng)機(jī)械快門、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、方形光闌后照射到太陽電池組件表面。不同組件樣品經(jīng)激光照射試驗(yàn)后的外觀狀態(tài)及效率衰降如表4 所示。激光主要是通過其熱效應(yīng)對(duì)組件造成損壞，由于1 064 nm 波長(zhǎng)屬于太陽電池的底結(jié)吸收波段，底結(jié)吸收激光后發(fā)熱導(dǎo)致外延結(jié)構(gòu)破壞，甚至局部pn 結(jié)短路，釋放的熱量使電池表面的蓋片膠也發(fā)生汽化。當(dāng)樣品表面的激光功率密度為3 W/cm2時(shí)，MgF2蓋片組件內(nèi)的蓋片膠已發(fā)生汽化，底結(jié)外延層輕微受損；激光防護(hù)蓋片組件無明顯變化。當(dāng)激光功率密度達(dá)到9 W/cm2時(shí)，MgF2蓋片組件被完全破壞，頂、中、底外延結(jié)構(gòu)全部受損；激光防護(hù)蓋片組件轉(zhuǎn)換效率衰降為4.2%，只是底結(jié)外延層輕微受損。雖然不同電池樣品的外延結(jié)構(gòu)耐熱性會(huì)略有差別，但與MgF2蓋片組件相比，激光防護(hù)蓋片組件表現(xiàn)出了明顯的激光防護(hù)能力，未來應(yīng)用價(jià)值十分顯著。

表4 不同組件樣品激光照射試驗(yàn)后狀態(tài)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制備了空間三結(jié)太陽電池用激光防護(hù)蓋片，其表面的激光防護(hù)膜采用電子束熱蒸發(fā)、離子源輔助沉積的方式進(jìn)行制備，經(jīng)煮水摩擦試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)，膜層牢固度和環(huán)境適應(yīng)性滿足要求。貼片后，激光防護(hù)蓋片組件對(duì)1 064 nm 光線的反射率大于60%，效率衰降為2.18%，相對(duì)于普通MgF2蓋片組件，其效率衰降較小，而且吸收系數(shù)下降了0.063，可有效提高在軌輸出功率。經(jīng)激光照射試驗(yàn)，激光防護(hù)蓋片可有效提高電池組件對(duì)1 064 nm 激光的防護(hù)能力。激光防護(hù)蓋片有望成為一種新型的空間蓋片產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用到具有激光防護(hù)需求的太陽電池陣中。