模擬空間太陽能電池真空放電特性的研究

李盛濤，李巍巍，程 程，閔道敏，鄭曉泉，李建英

(西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安710049)

1 引言

隨著大功率航天器的引入，尤其是空間站、太陽能衛(wèi)星(space power satellite)［1］等的迅速研發(fā)，航天器供能系統(tǒng)即太陽電池陣朝著大功率、高電壓的方向發(fā)展是必然趨勢。然而工作電壓的提高勢必加大太陽能電池陣失效的風險，其中靜電放電(ESD)引起的太陽電池陣失效模式尤為突出［2－3］。航天器暴露在空間環(huán)境中，受電荷積累和二次電子發(fā)射等因素的影響，在太陽能電池陣上很容易產(chǎn)生表面空間靜電放電。低能量的空間靜電放電雖然通常不會引起硬件損壞，但其產(chǎn)生的電磁脈沖會干擾航天器電子系統(tǒng)，造成短暫的非指令性開關(guān)等異常;當相鄰的太陽能電池間電勢差高于閾值電壓時，能量較高的靜電放電可能誘發(fā)高壓太陽能電池陣產(chǎn)生二次放電，使電池串中有長時間的大電流脈沖流過，該電流可能破壞太陽電池陣基底材料進而導致太陽電池陣局部短路損壞［4－7］。太陽能電池陣是對靜電放電最敏感的部位之一［3，8－10］，根據(jù)1993到2004年中航天器失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，如圖1所示，太陽能電池陣是航天器失效的主要部位，約占總故障的一半［11］。

因此對太陽能電池陣放電機理、影響因素及太陽能電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究勢在必行。在地面實驗室中不同真空度下采用不同襯底材料對模擬空間太陽能電池片進行起始放電試驗研究，探索模擬空間太陽能電池片的起始放電電壓與真空度及間隙寬度的關(guān)系，對太陽能電池陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、材料的選擇提供了一定的地面試驗依據(jù)。

圖1 1993 －2004 航天器失效部位統(tǒng)計［2，12］

2 試驗

2.1 試樣制備

試驗選用有機玻璃(PMMA)作為模擬太陽能電池片的蓋板材料，選用聚四氟乙烯(PTFE)、環(huán)氧樹脂(EP)，聚酯(PET)薄膜作為襯底材料，選用銅作為電極材料。

實驗分別設計三層結(jié)構(gòu)和五層結(jié)構(gòu)來模擬太陽能電池片，如圖2所示。圖2(a)為整片蓋板三層結(jié)構(gòu)試樣尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖，電極50×50 mm2，蓋板大小與襯底相同，均為120×60 mm2，間隙的寬度采用0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm五種規(guī)格。圖2(b)為整片蓋板五層結(jié)構(gòu)試樣尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖，蓋板尺寸與襯底相同120 m×60m2，聚酰亞胺薄膜尺寸與電極相同為50×50 mm2，間隙的寬度采用0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm 五種規(guī)格。

圖2 模擬太陽能電池片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 實驗儀器與設備

實驗選用JTK－200型真空高壓實驗系統(tǒng)，真空系統(tǒng)由機械泵和擴散泵組成，機械泵極限壓力7×10－2Pa，抽氣速率8 L/s;擴散泵極限壓力7×10－5Pa，抽氣速率4 000 L/s。電源為線性高壓直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，電壓范圍為40 V至1 600 V，精確度為0.1 V。

3 結(jié)果和討論

3.2 起始放電電壓與間隙寬度的關(guān)系

襯底分別為聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜的三層結(jié)構(gòu)模擬空間太陽能電池片起始放電電壓與間隙寬度的關(guān)系如圖3(a)所示。聚四氟乙烯襯底試樣間隙寬度在1.2 mm到1.6 mm之間時起始放電電壓出現(xiàn)最小值;環(huán)氧樹脂襯底試樣間隙寬度在1.2 mm附近起始放電電壓最低，聚酯薄膜試樣間隙寬度在0.8 mm附近起始放電電壓最低。

襯底材料依次為聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜的三組五層結(jié)構(gòu)模擬空間太陽能電池片起始放電電壓與間隙寬度的關(guān)系如圖3(b)所示。間隙寬度在0.4 mm到2.0 mm之間時，起始放電電壓存在極小值，并且極小值對應間隙寬度因襯底材料的不同有所差別。

圖3 模擬太陽能電池片起始放電電壓與間隙寬度關(guān)系

3.3 起始放電電壓與真空度及間隙寬度的等效研究

基于以上兩組試驗得到模擬空間太陽能電池片起始放電電壓與真空度及間隙寬度的關(guān)系，如圖4所示。由圖可知，不同結(jié)構(gòu)的模擬空間太陽能電池片的起始放電電壓與真空度、間隙寬度乘積的關(guān)系相一致。起始放電電壓極小值在p·d位于6～8(10－3mm·Pa)之間時取得。

圖4 模擬太陽能電池試樣Vf－p·d曲線

3.4 電導率對起始放電電壓最小值的影響

模擬空間太陽能電池的襯底材料不同，其起始放電電壓的極小值不同，極小值所對應的間隙寬度也不同。試驗用空間材料的伏安特性曲線，如圖5所示，三種空間材料的電導率由大到小依次是聚酯薄膜、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯;而起始放電電壓最小值對應的間隙寬度由大到下襯底材料依次為聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、聚酯薄膜?？芍妼试酱蟮牟牧?，其起始放電電壓極小值對應的間隙寬度越小。

圖5 三種襯底材料的電導率對比曲線

4 結(jié)論

間隙寬度在0.4 mm到2.0 mm之間，模擬空間太陽能電池的起始放電電壓存在極小值，并且極小值對應的間隙寬度隨著襯底材料的不同而不同。而不同襯底材料的模擬空間太陽能電池的起始放電電壓與真空度、間隙寬度乘積的關(guān)系相一致。太陽能電池的起始放電電壓在p·d約為6～8(10－3mm·Pa)之間取得極小值。電導率越大的襯底材料，其太陽能電池片起始放電電壓極小值對應的間隙寬度越小。

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