非金屬材料放氣對砷化鎵電池的影響分析

院小雪，于錢，臧衛(wèi)國，楊東升，周晶晶，姜海富

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

太陽電池陣作為航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而影響整個(gè)航天器的工作狀態(tài)[1—3]。目前，航天器普遍采用三結(jié)砷化鎵太陽電池。太陽電池在軌運(yùn)行期間，會受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環(huán)境及誘導(dǎo)環(huán)境的影響[4]。

太空中，對砷化鎵電池產(chǎn)生污染的污染源主要有：航天器用非金屬材料放氣[5—6]；姿控發(fā)動機(jī)的噴射[7]；空間環(huán)境的影響[8—10]。其中，非金屬材料放氣是污染源的重要組成部分。航天器真空熱試驗(yàn)中污染監(jiān)測試驗(yàn)的結(jié)果表明，非金屬材料放氣釋放的有機(jī)分子主要為鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類[11—13]。

文中以非金屬材料灰皮電纜放氣產(chǎn)物鄰苯二甲酸酯類為例，分析其對砷化鎵電池的性能影響，從而為太陽電池的污染防護(hù)提供依據(jù)和支持。

1 試驗(yàn)

非金屬材料放氣對砷化鎵電池性能影響試驗(yàn)包括兩部分：砷化鎵電池性能與透過率關(guān)系試驗(yàn)和污染物沉積量與透過率關(guān)系試驗(yàn)。通過這兩組試驗(yàn)，得到污染物沉積量與太陽電池功率損失之間的關(guān)系。

1.1 材料及設(shè)備

試驗(yàn)用品包括砷化鎵電池、石英光學(xué)試片和非金屬材料等。砷化鎵電池尺寸為3 cm×4 cm，短路電流為210 mA，石英光學(xué)試片尺寸為80 mm×80 mm×1 mm。非金屬材料為航天器常用灰皮電纜，其放氣產(chǎn)物為鄰苯二甲酸酯類，無色透明液體。

砷化鎵電池的性能測試采用太陽模擬器和數(shù)字萬用表，測試其短路電流，測量電路如圖1所示。

圖1 太陽電池短路電流測試電路Fig.1 The sketch map of the electrocircuit test for short circuit of solar cell

用U-3900H紫外可見分光光度計(jì)測試石英光學(xué)試片的光學(xué)透過率，其波長范圍為190～900 nm，光譜帶寬為0.2～4.0 nm。采用石英晶體微量天平測量非金屬材料的放氣沉積量[14]，其諧振頻率為20 MHz，污染量測試精度為1.1×10-9g/cm2，污染量測試范圍為0～1.1×10-5g/cm2。

1.2 試驗(yàn)方案

1）砷化鎵電池性能與透過率關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)如圖2所示，分別將1，2，5塊光學(xué)試片放置在太陽電池片上，進(jìn)行模擬光照下的短路電流測試，從而得到砷化鎵電池功率損失與透過率影響之間的關(guān)系。測試過程中，將太陽電池片正對太陽模擬器光源，使光線垂直入射，按照砷化鎵電池短路電流測試電路示意圖進(jìn)行測試。

圖2 透過率影響試驗(yàn)Fig.2 The sketch map of transmittance effect test

2）污染物沉積量與透過率關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，在樣品室中放置灰皮電纜，將材料加熱到125℃進(jìn)行烘烤，樣品室開口朝向石英光學(xué)試片。分別進(jìn)行不同時(shí)間的材料真空放氣試驗(yàn)，在光學(xué)試片上形成10-6，10-5，10-4g/cm2量級的污染沉積量，從而得到污染物沉積量與透過率損失之間的關(guān)系。

圖3 材料放氣試驗(yàn)Fig.3 The sketch map of material outgassing test

2 結(jié)果和討論

2.1 砷化鎵電池功率損失與透過率影響試驗(yàn)

放置1，2，5塊光學(xué)試片后的透過率分別為91.90%，85.00%，58.01%。光學(xué)透過率損失結(jié)果與太陽電池短路電流變化的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 光學(xué)透過率損失與太陽電池短路電流變化的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the transmittance loss and the short circuit of solar cell

2.2 污染物沉積量與透過率損失影響試驗(yàn)

真空放氣沉積后的樣品顯微圖像如圖5所示，在光學(xué)試片表面形成顆粒狀薄膜。針對不同量級的污染量，分別測試了在300～700 nm的透過率損失情況。測試結(jié)果見表1。

圖5 真空放氣沉積樣品顯微圖像Fig.5 The micrograph of the sample with depositing contaminants in vacuum environment

表1 光學(xué)試片透過率損失測試結(jié)果Table 1 The test result of transmittance of optic glasses

光學(xué)透過率損失結(jié)果與污染沉積量關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 光學(xué)透過率損失與污染量關(guān)系Fig.6 The relationship between the transmittance loss and the mass of the contaminants

通過上述試驗(yàn)，得到非金屬材料放氣造成污染沉積量與砷化鎵電池輸出短路電流的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 污染沉積量與短路電流變化曲線Fig.7 The relationship between the mass of the contaminants and the short circuit of solar cell

3 結(jié)論

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論。

1）隨著非金屬材料放氣沉積量的增多，砷化鎵電池的短路電流不斷減小。

2）當(dāng)污染沉積量達(dá)到4×10-5g/cm2時(shí)，砷化鎵電池的短路電流變化量為23 mA，變化率為10.9%；同時(shí)曲線的斜率減小，砷化鎵電池的短路電流變化率減小。

3）當(dāng)污染沉積量達(dá)到1.26×10-4g/cm2時(shí)，砷化鎵電池的短路電流變化量為42 mA，變化率為20.0%；同時(shí)曲線平緩，砷化鎵電池的電流值基本趨于平穩(wěn)。

[1] WOOD B E，GREEN B D.Materials Outgassing Effects and Satellite Contamination Database[C]//38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.AIAA 2000-0241[B3]，2000.

[2] 院小雪，周傳良，楊東升.航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程，2012，29（2）：168—172.YUAN Xiao-xue，ZHOU Chuan-liang，YANG Dong-sheng.The Contamination Control of Aerospace Optical System[J].Spacecraft Environment Engineering，2012，29（2）：168—172.

[3] 院小雪，龐賀偉，周傳良.分子污染對衛(wèi)星太陽電池翼輸出功率的衰減研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2007，28（1）：118.YUAN Xiao-xue，PANG He-wei，ZHOU Chuan-liang.Study on the Attenuation of the Solar Cell Power Output Caused by Molecular Contamination[J].Journal of Astronautics，2007，28（1）：118.

[4] 院小雪，易忠，楊東升，等.新型空間環(huán)境效應(yīng)探測器技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].空間電子技術(shù)，2013.10（1）：30—32.YUAN Xiao-xue，YI Zhong，YANG Dong-sheng，et al.The Study of a New Technology for Space Environment Effects Monitor and Application[J].Space Electronic Technology，2013，10（1）：30—32.

[5] 周傳良.高度污染敏感有效載荷的真空烘烤技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程.2006.23（6）：340—343.ZHOU Chuan-liang.Vacuum Bakeout Technology for Spacecraft Payload with High Sensitive Contamination[J].Spacecraft Environment Engineering，2006，23（6）：340—343.

[6] 院小雪，龐賀偉，周傳良.分子污染對衛(wèi)星太陽電池翼輸出功率的衰減研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2007，28（1）：118—122.YUAN Xiao-xue，PANG He-wei，ZHOU Chuan-liang.Study on the Attenuation of the Solar Cell Power Output Caused by Molecular Contamination[J].Journal of Astronautics，2007，28（1）：118—122.

[7] 孫威，閆少光，田東波，等.“資源”衛(wèi)星軌控推力器羽流場數(shù)值模擬[J].航天器環(huán)境工程，2008，25（3）：276—281.SUN Wei，YAN Shao-guang，TIAN Dong-bo，et al.Numerical Simulation of a ZY Satellite Orbit-control Thruster Plume[J].Spacecraft Environment Engineering，2008，25（3）：276—281.

[8] 劉向鵬，童靖宇，向樹紅，等.太陽電池陣基板原子氧防護(hù)膜試驗(yàn)評價(jià)研究[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（4）：16—18.LIU Xiang-peng，TONG Jing-yu，XIANG Shu-hong，et al.Test and Evaluation of Atomic Oxygen Protective Coating on Solar Cell Array Substrate[J].Equipment Environmental Engineering，2009.6（4）：16—18.

[9] 李濤，易忠，高鴻.航天器材料空間環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)技術(shù)[J].裝備環(huán)境工程，2012，9（3）：37—40.LI Tao，YI Zhong，GAO Hong.Summarization Space Environmental Worthiness Evaluation Technology for Spacecraft Material[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（3）：37—40.

[10]王志浩，馮偉泉，趙春晴，等.航天器空間ESD干擾單機(jī)級試驗(yàn)方法研究[J].裝備環(huán)境工程，2013，10（3）：16—20.WANG Zhi-hao，F(xiàn)ENG Wei-quan，ZHAO Chun-qing，et al.Research of Unit Level Space ESD Interference Test Method for Spacecraft[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（3）：16—20.

[11]焦子龍，龐賀偉，易忠，等.航天器真空熱試驗(yàn)污染物成分分析[J].航天器環(huán)境工程，2010，27（6）：711—714.JIAO Zi-long，PANG He-wei，YI Zhong，et al.Composition Analysis of Contaminant in Thermal Vacuum Test for Spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering，2010，27（6）：711—714.

[12]李娜，楊東升，于錢，等.衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)星內(nèi)污染檢測分析[J].真空，2013，50（3）：17—19.LI Na，YANG Dong-sheng，YU Qian，et al.Detection and Analysis of Contamination Inside the Spacecraft in Vacuum Thermal Test[J].Vacuum，2013，50（3）：17—19.

[13]焦子龍，龐賀偉，易忠，等.利用色質(zhì)譜方法檢測衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)污染物成分[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2008，28（6）：64—67.JIAO Zi-long，PANG He-wei，YI Zhong，et al.Identification of Molecular Contaminant in Thermal Vacuum Test by Using GC/MS[J].Chinese Space Science and Technology，2008，28（6）：64—67.

[14]臧衛(wèi)國，院小雪，于錢.QK型石英晶體微量天平頻溫效應(yīng)的初步研究[J].航天器環(huán)境工程，2011，28（4）：358—361.ZANG Wei-guo，YUAN Xiao-xue，YU Qian.The Frequency-Temperature Relaion for QK-quartz Crystal Microbalance[J].Spacecraft Environment Engineering，2011，28（4）：358—361.