LEO原子氧剝蝕太陽電池陣Ag互連材料的試驗研究

仇恒抗，楊 琴，朱亞雄，劉 智，賈 巍，池衛(wèi)英，陸劍鋒

（1.上海空間電源研究所，上海 200245；2.上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所，上海 201109）

0 引言

LEO 空間環(huán)境主要由N2、O2、Ar、He、H 和原子氧（AO）組成，其中原子氧的含量最高，大約占80%[1]。盡管原子氧的數(shù)密度很低（105～109/cm3），但當(dāng)航天器在軌道中以7～8 km/s 的速度運行時，原子氧撞擊航天器表面的能量約為5 eV，具有極強的氧化能力[2]。

對原子氧效應(yīng)的地面模擬試驗研究，國外始于20世紀(jì)80年代初期。在航天飛機的早期飛行中發(fā)現(xiàn)了原子氧對空間材料的嚴(yán)重侵蝕之后，NASA、ESTEC 及NASDA 等研究機構(gòu)相繼建立了數(shù)十臺地面模擬器，并組織了相關(guān)的研究[3-4]。國內(nèi)隨著航天事業(yè)的發(fā)展，也開展了大量有關(guān)航天器原子氧效應(yīng)及防護的地面模擬試驗研究[5-7]。

太陽電池陣作為航天器的空間主電源，其電池電路完全暴露于空間環(huán)境中，對原子氧敏感的材料會直接影響到電池電路的性能。其中，Ag 互連材料極易被原子氧氧化、剝蝕，導(dǎo)致Ag 互連片厚度變薄最終失效，致使太陽電池陣壽命終止[8]。

本文依據(jù)原子氧剝蝕Ag 互連材料的機理，選取了約400km 高度軌道上1年時間內(nèi)原子氧的累積通量作為最高劑量[9]，進行了原子氧剝蝕Ag 互連材料的地面模擬環(huán)境試驗，根據(jù)試驗結(jié)果簡化計算出了Ag 互連材料的厚度損失率。該研究成果可為LEO 太陽電池陣原子氧防護設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 剝蝕機理

由于Ag 材料的良好導(dǎo)電性，太陽電池陣組件之間的電連接多采用Ag 互連片。在LEO 高度,具有高化學(xué)活性的原子氧以8km·s-1的相對速度與太陽電池陣發(fā)生碰撞，使得Ag 互連材料表面與原子氧之間產(chǎn)生約4.5～5eV 的碰撞能量，其作用相當(dāng)于4.8×104K 的高溫[10]，這種罕見的高溫氧化、高速碰撞對Ag 材料的侵蝕作用是非常嚴(yán)重的，使Ag 互連片的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，失去其導(dǎo)電作用。多樹旺等人[11]指出，Ag 在原子氧中的氧化分為兩個階段：在開始氧化過程中表面形成了一層較厚的Ag2O 膜；氧化過程的第二階段為氧化膜頂層AgO 的形成。其機理為：當(dāng)Ag 膜暴露在原子氧環(huán)境中時，原子氧與Ag 表面的非彈性碰撞一般會導(dǎo)致氧原子損失大部分能量，碰撞過程將引起中性氧原子和Ag 表面原子產(chǎn)生電離作用導(dǎo)致電子激發(fā)或者遷移。這些過程影響物質(zhì)的化學(xué)活性，在Ag 原子和入射氧原子之間會形成化學(xué)鍵，在Ag 表面上導(dǎo)致Ag2O 形核和生長。Ag2O 的晶格空間要比塊狀A(yù)g 大55%，二者的摩爾體積比約為1.53；當(dāng)Ag2O 膜的厚度增加時，在氧化膜內(nèi)會產(chǎn)生很大的生長應(yīng)力，導(dǎo)致氧化膜的起皺、開裂和剝落。此時，基體Ag 膜又重新暴露在原子氧中，導(dǎo)致Ag 膜的進一步氧化。在整個氧化過程中，表面生成的Ag2O膜吸附氧原子，最終導(dǎo)致在氧化膜頂層Ag2O 轉(zhuǎn)變?yōu)锳gO。由于反應(yīng)過程的循環(huán)進行，Ag2O 膜的生長和剝落重復(fù)進行，使得Ag 互連片逐漸變薄，最終斷裂失效。

2 環(huán)境模擬試驗

原子氧剝蝕太陽電池陣Ag 互連材料地面模擬環(huán)境試驗是開展太陽電池陣原子氧防護技術(shù)研究的重要評價手段。本文依據(jù)原子氧剝蝕Ag 材料的機理，開展了有關(guān)試驗。

2.1 試驗設(shè)備及模擬參數(shù)

試驗在同軸源原子氧模擬裝置中進行，試驗中原子氧通量為5×1015cm-2·s-1(1±10%)，累積通量最高達(dá)到6.0×1021cm-2（累積通量的對應(yīng)序號見表1），模擬約400 km 高度軌道1年內(nèi)原子氧的累積通量。

表1 試驗中的原子氧累積通量 Table1 The cumulative flux of atomic oxygen in test

2.2 試驗材料及過程

本次原子氧試驗選取3 種共8 個樣品進行試驗分析，試樣的具體規(guī)格及試驗條件見表2。

表2 原子氧試驗樣品 Table2 The experimental samples for the AO test

試驗按如下步驟進行：

1)試驗前稱量試樣的質(zhì)量；

2)將試樣固定于試樣架上；

3)將試樣置于真空室，進行原子氧暴露試驗；

4)每達(dá)到一定原子氧累積通量后，用精度為0.01mg 的Mettler 電子分析天平稱量試件的質(zhì)量；

5)按照試驗條件依次循環(huán)，直至完成所有步驟的試驗。

2.3 試驗結(jié)果及分析

從外觀上看，試驗前樣品表面光滑，有光澤（如圖1）。

圖1 試驗前的樣品外觀 Fig.1 The samples before the experiment

試驗后樣品表面變成灰黑色，失去原有光亮的外觀特征（如圖2）。試樣樣品的質(zhì)量數(shù)據(jù)見 表3。

圖2 試驗后的樣品外觀 Fig.2 The samples after the experiment

表3 Ag 互連片原子氧剝蝕試驗結(jié)果 Table3 The mass loss results of Ag interconnectors under AO erosion

所有試驗樣品的質(zhì)量變化曲線如圖3～圖5所示?？梢姡诒敬卧囼炛忻總€試樣在宏觀上都經(jīng)歷了2 個“氧化—剝落”的循環(huán)剝蝕過程：當(dāng)原子氧的累積通量達(dá)到2.34×1020cm-2時，各個樣件的質(zhì)量第一次增至拐點，隨后是氧化層的剝落；當(dāng)原子氧的累積通量達(dá)到2.0×1021cm-2時，氧化層剝落后Ag 繼續(xù)被氧化，生成的Ag2O 的表層也在發(fā)生氧化，導(dǎo)致氧化層厚度又開始逐漸增加，同時氧化膜逐漸起皺、開裂和剝落。各試樣被剝蝕的厚度在本文第3 部分將進行簡化計算。

圖3 1# 樣品質(zhì)量變化曲線 Fig.3 The mass curves of 1# sample

圖4 2# 樣品質(zhì)量變化曲線 Fig.4 The mass curves of 2# sample

圖5 3# 樣品質(zhì)量變化曲線 Fig.5 The mass curves of 3# sample

3 剝蝕厚度的簡化計算

3.1 剝蝕厚度公式推導(dǎo)

不考慮銀在原子氧中氧化的第二階段，即AgO的形成階段，試驗過程中Ag 互連片剝蝕厚度的簡化計算推導(dǎo)如下。

試驗前后試樣的質(zhì)量損失為Δm，根據(jù)銀與原子氧反應(yīng)生成氧化銀的化學(xué)方程式

設(shè)m1為被氧化的銀的質(zhì)量，則m1與Δm的關(guān)系為

設(shè)被氧化的銀的厚度為Δh，試樣的表面積為s，銀的密度為ρ，則m1=s×ρ×Δh，代入式(1)，得：

設(shè)銀試樣的初始質(zhì)量為m0，初始厚度為h，則

由式(2)和式(3)可得

由于在裝取、稱量試樣的過程中有少量氧化銀脫落，實際厚度損失會比計算得出的厚度損失Δh略大。

3.2 剝蝕厚度的計算

由樣品的質(zhì)量變化曲線可知，本次試驗各樣品經(jīng)歷了兩個階段的氧化過程，結(jié)合具體的試驗數(shù)據(jù)，利用剝蝕厚度的簡化公式 Δh=13.5×Δm×h/m0，計算出各樣件的剝蝕厚度如表4所示。

表4 Ag 互連材料試樣厚度剝蝕結(jié)果 Table4 The thickness loss of Ag interconnectors under AO erosion

由計算結(jié)果可知：原子氧對裸露的Ag 材料剝蝕作用較強，且試樣初始厚度越薄，平均質(zhì)量損失率越大。因此，在既定原子氧通量及累積通量的情況下，提高Ag 材料的厚度，在一定程度上可增加其抗原子氧剝蝕的能力。

4 結(jié)束語

文章依據(jù)原子氧剝蝕Ag 互連材料的機理，開展了LEO 原子氧剝蝕Ag 互連材料的地面模擬環(huán)境試驗研究，驗證了原子氧對Ag 的作用在宏觀上經(jīng)歷了兩次 “氧化—剝落” 的循環(huán)剝蝕過程；同時結(jié)合簡化推導(dǎo)的Ag 互連片剝蝕厚度計算公式，計算出了在既定的原子氧通量及累積通量下，厚度分別為17 、30、50 μm 的三種Ag 互連片的平均厚度損失率分別為41.8%、25.9%、8.9%。試驗結(jié)果進一步證實了原子氧對Ag 材料有較強的剝蝕能力。對于低軌道、短壽命太陽電池陣，可通過增加互連片材料的厚度提高其抗原子氧剝蝕的能力；對于低 軌道、長壽命太陽電池陣，使用銀互聯(lián)片須采取一定的原子氧防護措施。

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