國外空間多結(jié)太陽電池技術(shù)進(jìn)展

郁濟(jì)敏， 趙志國

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.中國國防科技信息中心，北京100142)

自1955年，Jackson首次提出多結(jié)太陽電池的概念以來，隨著金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)技術(shù)、材料生長技術(shù)和隧穿結(jié)串聯(lián)等技術(shù)的發(fā)展，己實(shí)現(xiàn)以砷化鎵三結(jié)太陽電池(GaInP/InGaAS/Ge)為主的多結(jié)太陽電池批產(chǎn)。砷化鎵三結(jié)太陽電池以其較高的轉(zhuǎn)換效率、材料晶格匹配易于實(shí)現(xiàn)和優(yōu)良的可靠性等優(yōu)勢己經(jīng)在空間飛行器上得到了廣泛應(yīng)用。GaAs多結(jié)太陽電池取代硅電池用于空間地球軌道飛行已有10多年的時(shí)間了。多結(jié)太陽電池的高轉(zhuǎn)換效率，較高的減反射率和較低的溫度系數(shù)使其在空間飛行器上大量使用。

除了在近地軌道衛(wèi)星上使用多結(jié)太陽電池以外，多結(jié)太陽電池還用于特定條件下的空間飛行任務(wù)上，如高溫高輻照條件下的Bepi Colombo水星探測行動(dòng)、低溫低輻照下的Laplace木星探測行動(dòng)以及大氣光譜移動(dòng)條件下的火星探測行動(dòng)等。本文報(bào)道了國外主要空間太陽電池生產(chǎn)公司最新產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用情況。

1 德國AZUR公司的空間太陽電池

1.1 效率為29.8%的“3G30”太陽電池

德國AZUR公司最新研制的晶格匹配的空間三結(jié)太陽電池在壽命初期(BOL)時(shí)的效率為29.8%，在壽命末期(EOL)時(shí)的效率為28.1%(AM0，28℃)，這種電池被命名為“3G30”電池。目前，公司已為客戶提供了125 000片的“3G30”電池，電池厚度分為150和80 μm，有特殊需要的，電池厚度還可降至20 μm。電池尺寸有標(biāo)準(zhǔn)的4 cm×8 cm，還有大面積的8 cm× 8 cm和6 cm×12 cm。

圖 1所示是 100 mm直徑 Ge襯底的 4 cm×8 cm“3G30”太陽電池和150 mm直徑Ge襯底的6 cm×12 cm“3G30”太陽電池。兩片電池都是切角的，厚度150 μm，銀觸點(diǎn)，雙層減反射膜。為避免產(chǎn)生偏壓，電池可以通過內(nèi)置或外置二極管的方式對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)[1]。

圖1 4 cm×8 cm和6 cm×12 cm的“3G30”電池樣品

圖2是對(duì)700個(gè)4 cm×8 cm的“3G30”電池樣品進(jìn)行檢測的效率高斯分布圖，電池平均效率為29.8%。

1.2 “3G30”太陽電池的在軌實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

圖2 “3G30”電池樣品的效率分布圖

2012年7月22日發(fā)射升空的德國科技衛(wèi)星TET-1上裝載了AZUR公司生產(chǎn)的“3G30”太陽電池。電池尺寸為4 cm×8 cm，厚度分別為150、80和20 μm三種，如圖3所示。

圖3 在軌測試的4 cm×8 cm“3G30”電池

在軌測試的太陽電池記錄了從2012年7月26日到2013年10月31日的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。TET-1衛(wèi)星上裝載的不同厚度太陽電池的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4所示[2]。

圖4 三種不同“3G30”太陽電池在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布(AM0，28℃，虛線為實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù))

1.3 下一代35%效率的電池新技術(shù)的發(fā)展方向

在航天工程零失誤與高可靠的要求下，太陽電池作為衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，其技術(shù)也要不斷地更新發(fā)展，其中最重要的是提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和降低質(zhì)量。目前，AZUR公司正在研發(fā)AM0條件下BOL時(shí)35%效率的太陽電池，預(yù)計(jì)EOL效率至少達(dá)到30%。

現(xiàn)在，各國都在致力于新電池技術(shù)的研發(fā)，如1 eV材料(如GaInNAs)晶格匹配電池，多量子阱或量子點(diǎn)電池，反向生長電池等。

2 美國Emcore公司的空間高效太陽電池

2.1 效率為29.5%的ZTJ太陽電池

Emcore公司新一代InGaP/InGaAs/Ge三結(jié)ZTJ太陽電池的批量生產(chǎn)自2009年起已生產(chǎn)了超過300 000片電池，效率達(dá)到29.5%，裝備了35顆衛(wèi)星，主要為軍用、偵查及通訊衛(wèi)星，功率輸出1～25 kW。

以前，空間太陽電池一般采用“2個(gè)/片”的方式生產(chǎn)，即在每個(gè)直徑為100 mm的鍺片上生產(chǎn)出2個(gè)電池片，這種電池片的面積一般為20～30 cm2。近幾年，“1個(gè)/片”的生產(chǎn)方式悄然興起，這種生產(chǎn)方式成本低，電池片面積大，能夠接近61 cm2。截止到2013年，Emcore公司按照“1個(gè)/片”的方式生產(chǎn)了ZTJ電池60 kW，裝備了12顆衛(wèi)星。

2.2 ZTJ太陽電池的空間應(yīng)用

Emcore公司的ZTJ電池在NASA太陽地球探索項(xiàng)目中的磁化層多角度探測(MMS)子項(xiàng)目上得到應(yīng)用，為4顆MMS衛(wèi)星裝配了32塊太陽電池板和兩塊備用電池板，在EOL和正常太陽輻照情況下總的輸出功率超過5 kW。每顆衛(wèi)星上裝配8個(gè)殼體式太陽電池板，每個(gè)電池板上裝有162片“1個(gè)/片”的ZTJ太陽電池片，如圖5所示。

圖5 MMS子項(xiàng)目中使用的太陽電池板

NASA在2012年成功發(fā)射的核分光望遠(yuǎn)鏡陣 (NuStar)上裝配了Emcore公司的“2個(gè)/片”ZTJ太陽電池，整個(gè)太陽電池陣是由5塊太陽電池板組成的電池翼，在EOL時(shí)的輸出功率達(dá)到750 W，如圖6所示[3]。

圖6 NuStar飛行器在軌示意圖

3 美國Spectrolab公司反向生長多結(jié)太陽電池

反向生長三結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)是先生長晶格匹配的頂電池和中間電池，后生長晶格失配的底電池，因此材料和器件的質(zhì)量能夠得到保證，結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。反向生長的太陽電池的優(yōu)點(diǎn)有：更高的理論效率；電池的質(zhì)量更輕；由于生長外延層的襯底可剝離，因此襯底可反復(fù)利用。

圖7 反向生長多結(jié)(IMM)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

美國Spectrolab公司一直致力于高效反向生長多結(jié)太陽電池的研究，并已有空間應(yīng)用。大面積(26 cm2)IMM三結(jié)電池在AM0條件下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%，開路電壓3.04 V，短路電流密度16.7 mA/cm2，填充因數(shù)0.84。IMM四結(jié)電池(1 cm2)在AM0條件下轉(zhuǎn)換效率為33%，開路電壓為3.42 V，短路電流密度為15.8 mA/cm2，填充因數(shù)0.82。

Spectrolab開發(fā)的晶格匹配的多結(jié)電池XTJ面積26.62 cm2；LEONE電池面積59.6 cm2，這兩種電池均為100 mm襯底。在此基礎(chǔ)上，又開發(fā)出了150 mm襯底，面積為72 cm2的XTJ SuperCell電池，電性能與機(jī)械性能與前兩種電池相當(dāng)(圖8所示)。

圖8 面積為26.62、59.6和72 cm2的三種反向生長多結(jié)太陽電池

未來高性能空間太陽電池的技術(shù)方向?yàn)榘l(fā)展多結(jié)，一般3～6結(jié)電池結(jié)構(gòu)，反向晶體生長，以達(dá)到理想的禁帶寬度，在1-sun，AM0條件下效率達(dá)到33%以上。反向生長三結(jié)和四結(jié)電池被認(rèn)為是取代目前Ge襯底電池的下一代新型電池。圖9是Spectrolab公司開發(fā)的反向生長三結(jié)和四結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖[4]。

圖9 反向生長三結(jié)和四結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖

4 日本空間用薄膜太陽電池

4.1 日本JAXA開發(fā)的薄膜多結(jié)電池

日本航天研發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA近年來致力于研發(fā)薄膜III-V族多結(jié)太陽電池，JAXA研發(fā)的帶有透明膜的層疊薄膜電池名為“Space Solar Sheet(SSS)”。第一代SSS-1問世于2010年，為InGaP/GaAs雙結(jié)(TF2J)太陽電池，AM0條件下，轉(zhuǎn)換效率為25%，比功率0.4～0.5 W/g。這種薄膜電池分別使用兩種材料作為活性面，一種是透明樹脂膜，另一種是玻璃蓋片。經(jīng)過空間環(huán)境和可靠性實(shí)驗(yàn)，使用透明膜的電池低軌(LEO)使用可超過5年，使用玻璃蓋片的電池高軌(GEO)使用可達(dá)10年。圖10是面積為25 cm2的TF2J薄膜太陽電池樣品。

圖10 InGaP/GaAs薄膜雙結(jié)太陽電池樣品照片

TF2J電池是在Ge襯底上反向生長InGaP/GaAs雙結(jié)太陽電池外延層的。由于外延層厚度約10 μm，太薄難以處理，所以在電池制作過程中將Ge襯底完全去掉，在電池的背面形成支持層。AM0條件下的I-V性能曲線如圖11所示，短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)和最大功率(Pmax)分別為：421 mA、2 378 mV和860.5 mW。實(shí)驗(yàn)表明，在幾百keV的光子能量區(qū)，TF2J電池比傳統(tǒng)的InGaP/GaAs/Ge三結(jié)電池的減反射性能更好。

圖11 TF2J電池的典型I-V曲線圖

4.2 薄膜電池組

把若干TF2J電池連接起來使用時(shí)，由于太薄，很難控制處理，所以需要把電池層疊連接起來形成電池組，把這樣的產(chǎn)品叫做“SSS”電池組。

圖12是分別使用透明樹脂膜和玻璃蓋片制作的TF2J電池連接成的電池組，上面的電池組是使用透明樹脂膜低軌應(yīng)用的SSS-1F，下面的是使用玻璃蓋片高軌應(yīng)用的SSS-1G。把5個(gè)TF2J電池單體連接起來形成電池組測試樣品，兩種電池組的最大功率分別為3.5和3.8 W，比功率分別為0.52和0.41 W/g，兩種電池組的性能曲線如圖13所示。

圖12 SSS-1F和SSS-1G電池組樣品照片

圖13 5個(gè)電池單體連接成的電池片SSS-1F和SSS-1G的I-V特性曲線圖

電池組SSS-1F和SSS-1G經(jīng)過各種環(huán)境測試，如熱循環(huán)、濕度、空氣中高溫、真空中高溫、高溫下電流反向等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表1所示，兩種電池組在測試中均沒有性能衰降。性能測試與環(huán)境測試結(jié)果表明，電池組SSS-1F可以滿足低軌應(yīng)用5年以上，SSS-1G可以滿足高軌應(yīng)用10年的要求。

表1 環(huán)境測試條件和結(jié)果

5 總結(jié)

德國的 AZUR SPACE公司研制的晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池“3G30-advanced”轉(zhuǎn)換效率達(dá)到29.8%。美國Emcore公司研發(fā)的新一代三結(jié)ZTJ太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到29.5%，已在35顆衛(wèi)星上得到使用。美國Spectrolab公司近年來致力于反向生長多結(jié)太陽電池的研究，反向生長三結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%。日本JAXA一直開發(fā)薄膜多結(jié)太陽電池，以達(dá)到輕質(zhì)、高效的目標(biāo)，目前研制的薄膜InGaP/GaAs雙結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%，通過模擬實(shí)驗(yàn)可達(dá)到低軌5年、高軌10年的壽命[5]。

[1]STROBL G F X，F(xiàn)UHRMANN D.About AZUR's“3G30-advanced”space solar cell and next generation product with 35%efficiency[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:104-108.

[2] STROBL G F X.Development of lightweight space solar cells with 30%efficiency at end-of-life[C]//40thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Denver，US:IEEE，2014:3595-3600.

[3] FATEMI N.Qualification and production of Emcore ZTJ solar panels for space missions[C]//39thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Tampa，US:IEEE，2013:2793-2796.

[4] DANIAL C.Law，recent progress of Spectrolab high-efficiency space solar cells[C]//Conference on Nanophotonics and Macrophotonics for Space Environments VII.San Diego，US:IEEE，2012: 3146-3149.

[5] IMAIZUMI M.Overview of Japanese solar cell and panel development for space application[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:116-121.