李大正 李雅琳 李朝陽 李峰 蔣碩 薛梅 柳青 姜德鵬

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381)(3 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(4 上海空間電源研究所，上海 200245)

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是新型衛(wèi)星平臺(tái)的不斷誕生和應(yīng)用，太陽翼功率水平的提升對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的發(fā)展具有重要意義。高效太陽電池片的選用是國(guó)內(nèi)外提升整翼輸出功率的常用方法，其優(yōu)勢(shì)在于不需改變太陽翼構(gòu)型及質(zhì)量的情況下，使整星的帶載能力得到有效提升。

三結(jié)砷化鎵太陽電池目前在空間太陽翼大面積應(yīng)用，對(duì)于下一代四結(jié)砷化鎵太陽電池，其在二維二次半剛性太陽翼上應(yīng)用的可行性及可靠性尚未經(jīng)過驗(yàn)證。

德國(guó)Azur Space公司制定了空間太陽電池產(chǎn)品開發(fā)路線圖，針對(duì)地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，目前產(chǎn)品是壽命初期(BOL)效率30%(壽命末期(EOL)效率26.5%)的晶格匹配三結(jié)電池，下一代產(chǎn)品是BOL效率32%(EOL效率28.5%)的UMM4J電池，研發(fā)目標(biāo)是效率35%的UMM4J電池；目前直至未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，UMM4J電池都是Azur Space公司空間電池產(chǎn)品的重點(diǎn)[1]。

本文首先對(duì)四結(jié)砷化鎵太陽電池及太陽電池電路的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，介紹了試驗(yàn)驗(yàn)證流程和試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了四結(jié)砷化鎵太陽電池半剛性太陽翼應(yīng)用的可行性和可靠性及地面驗(yàn)證方案具有較好的通用性和測(cè)試性。

1 四結(jié)砷化鎵太陽電池電路構(gòu)成及可靠性設(shè)計(jì)

1.1 二維二次半剛性太陽翼組成

二維二次半剛性太陽翼單翼配置6塊繃弦式半剛性太陽電池板，1個(gè)連接架及機(jī)構(gòu)部分，總長(zhǎng)20 m。發(fā)射階段太陽翼呈收攏狀態(tài)壓緊于衛(wèi)星側(cè)壁，轉(zhuǎn)移軌道階段展開90°并鎖定，完成一次展開；同步軌道完成二次展開。二維二次半剛性太陽翼構(gòu)型示意如圖1所示[1]。

圖1 二維二次半剛性太陽翼構(gòu)型示意圖

1.2 四結(jié)砷化鎵太陽電池設(shè)計(jì)

三結(jié)太陽電池由3個(gè)P-N結(jié)串聯(lián)而成，由頂電池、中間電池、底電池組成。四結(jié)太陽電池由4個(gè)P-N結(jié)串聯(lián)而成，相對(duì)于三結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)，除頂電池和底電池，有兩個(gè)中間電池，高效四結(jié)疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)和物理模型如圖2所示。由于比三結(jié)太陽電池多了一個(gè)P-N結(jié)，四結(jié)太陽電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖2 四結(jié)砷化鎵太陽電池疊層物理模型

四結(jié)太陽電池的4個(gè)結(jié)所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度分別為1.9 eV、1.4 eV、1.0 eV、0.67 eV。采用這幾種能量帶隙材料的太陽電池能較充分地將太陽光中350～1800 nm波長(zhǎng)范圍的光譜能量轉(zhuǎn)化為電能。

太陽電池采用漸變緩沖層技術(shù)來減小晶格失配導(dǎo)致的缺陷對(duì)電池性能的影響，與現(xiàn)有的空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池相比，四結(jié)太陽電池采用了晶格失配材料(1.0 eV InGaAs和0.67 eV InGaAs)，工藝實(shí)現(xiàn)上采用了如圖3所示的晶格外延生長(zhǎng)、鍵合、剝離等新工藝。

圖3 四結(jié)太陽電池工藝流程

1.3 四結(jié)砷化鎵太陽電池電路可靠性設(shè)計(jì)

四結(jié)砷化鎵太陽電池電路粘貼在繃弦式半剛性基板上，半剛性基板網(wǎng)格分布如圖4所示。

圖4 半剛性太陽翼收攏示意圖

相對(duì)于剛性基板，太陽電池電路可靠性設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

(1)在防靜電放電方面，與剛性太陽電池陣相比較，半剛性基底的太陽電池陣樣品由于沒有了基底的表面介質(zhì)材料，取代的是半剛性網(wǎng)，與太陽電池陣有效接觸面積變小，距離變大，因此減小了高壓太陽電池陣樣品表面電場(chǎng)，大大降低了靜電放電的頻率；在半剛性太陽電池陣設(shè)計(jì)中的防靜電放電設(shè)計(jì)方法如下：控制片間電壓，串間電流，基板連接靜電泄放電阻，電路正端串聯(lián)隔離二極管[2]。

(2)熱環(huán)境適應(yīng)性，半剛性板本身向空間的輻射散熱效果要優(yōu)于剛性板，在軌高低溫循環(huán)范圍比剛性板小，對(duì)太陽電池陣的高低溫沖擊影響小于剛性板；在半剛性太陽電池陣設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)方法如下：二極管引線、互連片設(shè)置減應(yīng)力環(huán)，電纜固定點(diǎn)間設(shè)置熱應(yīng)力釋放余量。

(3)在抗輻照方面，半剛性板沒有剛性板背面基底材料的防護(hù)，相對(duì)于剛性太陽電池板只在電池正面貼玻璃蓋片，半剛性板太陽電池反正面均粘貼抗輻照玻璃蓋片，使其完全覆蓋太陽電池上表面，能夠保護(hù)太陽電池的整個(gè)活性區(qū)，使其免于吸收低能質(zhì)子而引起對(duì)P-N結(jié)的損害；在半剛性太陽電池陣設(shè)計(jì)中抗輻照設(shè)計(jì)方法如下：開展四結(jié)電池電子輻照試驗(yàn)[3-4]，并進(jìn)行長(zhǎng)壽命期間功率預(yù)計(jì)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

基于繃弦式基板電池的獨(dú)特粘貼布置方式及新型四結(jié)砷化鎵太陽電池的長(zhǎng)壽命在軌可靠應(yīng)用，需要開展地面可靠性專項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)防靜電放電、熱環(huán)境適應(yīng)性及抗輻照特性進(jìn)行多方面考核，驗(yàn)證項(xiàng)目矩陣見表1。

表1 驗(yàn)證項(xiàng)目矩陣

對(duì)于防靜電放電試驗(yàn)驗(yàn)證，由于半剛性基板靜電放電頻率較低，設(shè)計(jì)剛性板比對(duì)試驗(yàn)方案，驗(yàn)證半剛性電池電路的可靠性。靜電放電(ESD)及溫度循環(huán)的試驗(yàn)件數(shù)量及狀態(tài)見表2。

表2 試驗(yàn)件狀態(tài)

2.1 靜電放電試驗(yàn)方案

靜電放電試驗(yàn)采用兩個(gè)小板試驗(yàn)件，剛性小板用于比對(duì)試驗(yàn)，摸索產(chǎn)生二次放電的試驗(yàn)條件，并將該試驗(yàn)條件應(yīng)用于半剛性小板。試驗(yàn)件實(shí)物如圖5所示。

圖5 靜電放電試驗(yàn)件實(shí)物圖

試驗(yàn)在真空中進(jìn)行，利用電子槍模擬空間地磁亞暴電子環(huán)境，電子槍產(chǎn)生電子束輻照太陽電池陣樣品表面，使太陽電池陣表面充電，當(dāng)其不同材料表面電位產(chǎn)生的電場(chǎng)達(dá)到一定閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，試驗(yàn)原理如圖6所示。

注：R為回路負(fù)載電阻；Ⅰ、Ⅱ?yàn)殡娏魈筋^，用來監(jiān)測(cè)放電脈沖；C為太陽電池陣對(duì)地模擬電容；P為模擬電源，可為太陽電池串提供工作電壓。

試驗(yàn)過程中，利用電子槍產(chǎn)生電子束流模擬空間帶電環(huán)境，電子槍正對(duì)試驗(yàn)樣品，在試驗(yàn)要求的電子束流條件下輻照試驗(yàn)樣品表面使其充電并產(chǎn)生靜電放電，利用表面靜電放電誘導(dǎo)二次放電事件發(fā)生。

2.2 溫度沖擊試驗(yàn)方案

衛(wèi)星運(yùn)行于地球同步軌道，每年有春秋分兩個(gè)地影季，一個(gè)地影季90天。半剛性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得太陽電池片在板上可以從正面及背面雙向向空間輻射散熱，在基板上的二極管安裝底板處的遮擋會(huì)對(duì)太陽電池片的背面散熱造成影響[5-6]，選擇最惡劣的溫度分析結(jié)果，確定溫度沖擊范圍為-170 ℃～+85 ℃。通過熱分析，模擬進(jìn)出影時(shí)的真實(shí)升降溫速率，控制試驗(yàn)設(shè)備升溫和降溫的平均溫度變化速率20 ℃/min，在高溫端及低溫端各保持1 min。溫度沖擊循環(huán)次數(shù)2208次，相當(dāng)于在軌運(yùn)行16年經(jīng)受溫度沖擊次數(shù)的1.5倍。根據(jù)以上試驗(yàn)條件，對(duì)小板試驗(yàn)件進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)考核。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜電放電試驗(yàn)

在靜電放電比對(duì)試驗(yàn)中，對(duì)剛性小板，電子能量14 keV，電子束流密度2.0 nA/cm2，當(dāng)太陽電池陣樣品串間工作電壓為90 V時(shí)，電池串間在發(fā)生多次靜電放電之后產(chǎn)生了二次放電。靜電放電試驗(yàn)件如圖7所示。

圖7 靜電放電試驗(yàn)件實(shí)物圖

對(duì)于半剛性基板試驗(yàn)件，根據(jù)剛性基板產(chǎn)生二次放電時(shí)電子能量及電子束流密度，施加同樣條件，模擬電源P提供串間工作電壓從50 V開始，每隔10 min增加10 V，最高串間工作電壓200 V，試驗(yàn)件出現(xiàn)少量的一次放電現(xiàn)象，未產(chǎn)生二次放電。

靜電放電試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通過控制串間間隙、片間電壓、單串電流，增加靜電泄放電阻及串聯(lián)隔離二極管等多項(xiàng)設(shè)計(jì)措施的有效性。

3.2 溫度沖擊試驗(yàn)

溫度沖擊試驗(yàn)后，對(duì)電池、旁路二極管、粘接劑、焊點(diǎn)外觀進(jìn)行檢查，試驗(yàn)件無損傷、焊點(diǎn)無開焊，并對(duì)太陽電池片及玻璃蓋片的裂片情況進(jìn)行檢查，太陽電池片及玻璃蓋片裂片均無增加。在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后分別進(jìn)行光照測(cè)試，試驗(yàn)前、后最佳工作點(diǎn)功率變化小于1%，用100 V絕緣表檢測(cè)太陽電池電路與基板絕緣電阻均大于100 MΩ，電性能測(cè)試結(jié)果滿足電路與基板的絕緣要求。

試驗(yàn)件經(jīng)2208次溫度循環(huán)沖擊后，太陽電池外觀完好無損，電性能衰降小于1%，太陽電池電路與基板絕緣滿足絕緣電阻大于1 MΩ的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：繃弦式半剛性太陽電池陣用四結(jié)砷化鎵太陽電池陣的減應(yīng)力環(huán)及電纜余量的熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)及電池粘貼工藝能夠滿足溫度沖擊后電路及基板不損壞的要求。

3.3 輻照衰降分析

經(jīng)過試驗(yàn)，1×1015e/cm2輻照劑量下，四結(jié)砷化鎵太陽電池完輻照后性能衰降不大于17%，根據(jù)輻照試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)太陽翼功率輸出衰降情況進(jìn)行了預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)壽命末期分點(diǎn)輸出功率約31 kW，功率衰降曲線如圖8所示。

圖8 四結(jié)砷化鎵太陽電池陣功率衰降曲線

由于80 mm×80 mm四結(jié)砷化鎵太陽電池單體效率達(dá)到33.6%，按照半剛性太陽翼單翼仍采用1.1節(jié)6塊板的設(shè)計(jì)布局，在單板尺寸仍采用2.5 m×4.05 m時(shí)，整翼輸出功率可由31 kW提升至34 kW，功率提升10%，整翼質(zhì)量及展開面積都未發(fā)生變化，通過太陽電池單體效率的提升實(shí)現(xiàn)了整翼輸出功率的提升。如表3所示，輸出功率可以滿足使用需求，達(dá)到預(yù)期效果。

表3 太陽電池陣輸出功率預(yù)計(jì)

通過輻照衰降試驗(yàn)結(jié)果及功率衰降分析，驗(yàn)證了隔離二極管輻照壓降及電路串并聯(lián)功率設(shè)計(jì)的合理性及有效性。

4 結(jié)論

本文對(duì)二維二次半剛性太陽翼及四結(jié)砷化鎵太陽電池進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了小板試驗(yàn)驗(yàn)證方案。相對(duì)于剛性太陽翼，半剛性太陽翼設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證具有以下特點(diǎn)：

(1)由于半剛性基板靜電放電閾值高于剛性基板，設(shè)計(jì)了剛性小板比對(duì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)的比對(duì)結(jié)果驗(yàn)證了半剛性板太陽電池陣靜電放電設(shè)計(jì)的可靠性；

(2)半剛性板本身向空間的輻射散熱效果優(yōu)于剛性板，在軌工作溫度相對(duì)較低，溫度沖擊的試驗(yàn)溫度范圍按照板上局部最惡劣的環(huán)境制定，加嚴(yán)了對(duì)試驗(yàn)件的考核，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了半剛性板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝及太陽電池片的粘貼工藝均能夠滿足在軌長(zhǎng)壽命使用需求；

(3)由于太陽電池片在半剛性板上沒有背面基底的防護(hù)，設(shè)計(jì)了雙面玻璃片的電池玻璃蓋片合成(CIC)單體結(jié)構(gòu)，增加了太陽電池片抗空間輻照能力，結(jié)合單體輻照衰降結(jié)果進(jìn)行的全壽命周期功率預(yù)計(jì)，表明四結(jié)砷化鎵太陽電池設(shè)計(jì)可以滿足在軌長(zhǎng)壽命輻照需求。

四結(jié)砷化鎵太陽電池在半剛性太陽翼的可靠性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：四結(jié)砷化鎵太陽電池電路可以滿足二維二次半剛性太陽翼使用需求，本文中的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)后續(xù)四結(jié)砷化鎵太陽電池在半剛性太陽翼的大規(guī)模工程應(yīng)用具有重要借鑒意義。