低軌道高壓太陽電池陣充放電效應(yīng)防護(hù)薄膜技術(shù)研究

史　亮，陳益峰，秦曉剛，湯道坦，柳　青，李中華

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

低軌道高壓太陽電池陣充放電效應(yīng)防護(hù)薄膜技術(shù)研究

史亮a，陳益峰b，秦曉剛b，湯道坦b，柳青a，李中華b

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

星用高壓太陽電池陣已得到越來越多的應(yīng)用，但其充放電效應(yīng)防護(hù)問題仍未得到徹底解決，限制了其在低軌道航天器的應(yīng)用。提出了一種星用高壓太陽電池陣充放電防護(hù)薄膜技術(shù)，通過隔離太陽電池表面與空間等離子體的相互作用，從而防止充放電效應(yīng)發(fā)生。防護(hù)薄膜具有ITO/硅氧烷/透明基底的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其透過率超過90%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，防護(hù)薄膜可以有效防止高壓太陽電池陣在低軌道環(huán)境中發(fā)生充放電現(xiàn)象。

高壓太陽電池陣；充放電效應(yīng)；防護(hù)薄膜

0　引言

隨著航天技術(shù)發(fā)展，高性能衛(wèi)星平臺(tái)和大型航天器已經(jīng)越來越多的使用高壓供配電系統(tǒng)。但是，自上世紀(jì)90年代至今，星用高壓太陽電池陣（太陽電池陣母線電壓≥100 V）在航天器上已經(jīng)發(fā)生了多起由充放電效應(yīng)導(dǎo)致的故障甚至衛(wèi)星失效事件[1-2]。

國內(nèi)外針對(duì)星用高壓太陽電池陣充放電效應(yīng)防護(hù)問題，提出了多種防護(hù)方法。中高軌道航天器中應(yīng)用的方法主要是電池串間涂敷室溫硫化硅橡膠的方法，該方法可以在不改變高壓太陽陣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的情況下，在相鄰電池串間形成勢(shì)壘層，阻礙串間臨時(shí)性短路通道的形成，使太陽陣功率輸出不能維持。并對(duì)聚酰亞胺基底起到熱保護(hù)作用，防止由于溫度過高使基底材料熱解擊穿。但是，針對(duì)低軌道環(huán)境中的高壓太陽電池陣充放電效應(yīng)，還沒有很好的被動(dòng)防護(hù)方法。運(yùn)行于低地球軌道（LEO）的國際空間站上使用了高壓太陽電池陣，為了保障空間站在軌安全和航天員出艙時(shí)的人身安全，使用了電位主動(dòng)控制方法，但是由于其技術(shù)復(fù)雜以及重量、體積、功耗等原因也限制了其在一般衛(wèi)星上的應(yīng)用[3-4]。有鑒于此，開發(fā)了一種透明導(dǎo)電復(fù)合防護(hù)薄膜，可以有效防止充放電現(xiàn)象的發(fā)生。

1　薄膜設(shè)計(jì)及制備

通過大量分析研究發(fā)現(xiàn)，高壓太陽電池陣在空間環(huán)境中，與空間等離子體作用，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)電位高于太陽電池表面電位的現(xiàn)象（如圖1所示），即反轉(zhuǎn)電位梯度（Inverted PotentialGradient，IPG），反轉(zhuǎn)電位梯度就是高壓太陽電池陣在軌發(fā)生放電的主要原因[5-9]。

圖1　正常電位梯度（NPG）與反轉(zhuǎn)電位梯度（IPG）

因此，如果在太陽電池陣表面覆蓋一層防護(hù)薄膜，從而隔絕空間等離子體環(huán)境與太陽電池的相互作用，就可以在根本上防止太陽電池陣充放電效應(yīng)的發(fā)生。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，防護(hù)薄膜必須滿足三個(gè)要求：（1）較高的可見光透過率，盡量減少對(duì)太陽電池陣發(fā)電的影響；（2）表面具有良好的導(dǎo)電性，不會(huì)造成不等量帶電；（3）較好的空間環(huán)境適應(yīng)性，保證薄膜在軌長(zhǎng)期使用時(shí)性能穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)了一種氧化銦錫/硅氧烷/聚酰亞胺三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜。復(fù)合薄膜基底材料選擇厚度為0.25μm的透明聚酰亞胺薄膜，該材料為航天器表面常用的聚合物材料，多用于熱控薄膜基底、導(dǎo)線絕緣層制備等用途，具有良好的延展性，抗冷熱沖擊性能和耐輻射性能。薄膜表面是利用磁控濺射技術(shù)制備的一層厚10～20 nm的氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）膜。ITO膜是目前研究和應(yīng)用最廣泛的透明導(dǎo)電薄膜，其電阻率介于105～106Ω·cm之間，可見光的透過率達(dá)85%以上，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不會(huì)與空間原子氧發(fā)生反應(yīng)[10]。但是由于ITO本身較脆，在安裝和使用過程中會(huì)產(chǎn)生微小裂紋，不能隔絕原子氧與基底材料的反應(yīng)，因此在導(dǎo)電層與基底材料之間增加了原子氧防護(hù)層。在基底材料上利用等離子體聚合技術(shù)制備一層厚度150 nm左右的硅氧烷膜。硅氧烷膜具有高的熱穩(wěn)定性、高的氧化穩(wěn)定性、良好的抗輻照性、極低的表面張力等物理化學(xué)特性。試驗(yàn)表明，具有硅氧烷鍍層的聚酰亞胺材料在累計(jì)通量為1024atoms/m2的原子氧（相當(dāng)于380 km高度軌道10年的原子氧通量）作用下，質(zhì)量無明顯變化，耐氧化性能優(yōu)于SiO2、SiOx防護(hù)鍍層[11]。

按照上述方法制備的透明導(dǎo)電復(fù)合薄膜，表面電阻率小于106Ω·cm，使用Lambda900紫外可見近紅外分光光度計(jì)對(duì)薄膜的全光譜透過率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2　薄膜全光譜透過率測(cè)試結(jié)果曲線圖

從圖2測(cè)試結(jié)果可看出，在波長(zhǎng)500～1 500 nm范圍內(nèi)，透明Kapton基底的平均透過率在91%以上。在表面增加了硅氧烷之后，由于透過率有所上升，平均透過率達(dá)到93%左右。在增加ITO鍍層，完成復(fù)合膜制備之后，平均透過率又恢復(fù)到91%以上。以上結(jié)果已經(jīng)超過國外同類薄膜88%的最大透過率[12]，這說明ITO+硅氧烷復(fù)合層對(duì)基底膜的光學(xué)性能沒有影響，在改進(jìn)工藝后，有可能會(huì)進(jìn)一步提高復(fù)合薄膜的光學(xué)透過率。因此，復(fù)合薄膜的透過率取決于基底材料的透過率性能。

2　驗(yàn)證試驗(yàn)

（1）對(duì)太陽電池性能影響

將制備好的復(fù)合薄膜包覆在三結(jié)砷化鎵太陽電池表面，進(jìn)行了薄膜對(duì)太陽電池性能影響的性能測(cè)試，并利用電池的輸出電流變化反推薄膜的透過率。測(cè)試結(jié)果與全光譜透過率測(cè)試結(jié)果較為一致，如表1所列。因此，薄膜對(duì)太陽電池發(fā)電效率造成的損耗小于10%。

表1　復(fù)合薄膜對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽電池性能的影響測(cè)試結(jié)果

（2）充放電防護(hù)性能試驗(yàn)

通過地面模擬試驗(yàn)對(duì)復(fù)合薄膜在LEO軌道環(huán)境中的帶電防護(hù)性能進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用空間等離子環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示，模擬LEO低溫稠密等離子體環(huán)境，具體參數(shù)如表2所列。

為了模擬太陽電池陣在軌實(shí)際使用工況并對(duì)其放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的試驗(yàn)電路。在該電路中，V為電壓表，監(jiān)測(cè)回路內(nèi)電壓；T1、T2為Tek P6022電流探頭，用來監(jiān)測(cè)放電脈沖；C1、C2、C3為太陽電池陣對(duì)基板模擬電容，C1=C2=C3=1 uF；C4為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)空間的電容，C4=2 uF；L1為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)空間的電感，L1=8 mH；R為回路負(fù)載電阻，0～200Ω可調(diào)；R1、R2為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)電阻，R1=94Ω，R2=10 kΩ；P1為模擬直流電源，為太陽電池串間提供工作電壓，0～160 V可調(diào)；P2為直流電源，為太陽電池串間提供偏置電壓，0～-5 000 V可調(diào)。

試驗(yàn)樣品為三結(jié)砷化鎵太陽電池組件。樣品基板為碳纖維鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，基板上覆蓋有Kapton膜作為基底絕緣材料，互聯(lián)材料為銀。通過電路將太陽電池分成兩串，組成2×3結(jié)構(gòu)，形成太陽電池陣樣品。

表2　LEO等離子體環(huán)境模擬參數(shù)

圖3　空間等離子環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖4　試驗(yàn)電路原理圖

試驗(yàn)中待模擬LEO等離子體環(huán)境的參數(shù)達(dá)到表2的數(shù)值后，將電池樣品偏置電壓設(shè)為100 V，串間電壓從50 V開始，每隔10 min增加10 V。最高串間電壓設(shè)為160 V，如有二次放電發(fā)生即中止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。在上述試驗(yàn)條件下，太陽電池陣樣品靜電放電（一次放電）次數(shù)隨著串間電壓升高而增多，其典型放電波形如圖5所示，且在串間電壓達(dá)到80 V時(shí)樣品就發(fā)生了二次放電現(xiàn)象，太陽電池樣品瞬間被擊穿短路，樣品串間基底材料形成短路通道。模擬電源處于恒流狀態(tài)，I=2.1 A。

表3　未防護(hù)樣品試驗(yàn)結(jié)果

圖5　樣品發(fā)生靜電放電時(shí)監(jiān)測(cè)到的典型放電波形

用防護(hù)薄膜將其中一塊相同的太陽電池陣組件包覆，如圖6所示，薄膜表面接地。使用與上述試驗(yàn)相同的參數(shù)對(duì)薄膜包覆后的樣品進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，包覆薄膜的太陽電池未發(fā)生放電現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，透明導(dǎo)電復(fù)合薄膜能夠有效防止太陽電池陣充放電效應(yīng)的發(fā)生。

圖6　薄膜包覆樣品試驗(yàn)前后對(duì)比

3　總結(jié)

使用高壓太陽電池陣已成為高性能衛(wèi)星的必然趨勢(shì)，但是其充放電防護(hù)問題未得到徹底解決。提出了一種氧化銦錫/硅氧烷/聚酰亞胺三層結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電復(fù)合薄膜，其表面電阻率小于106Ω·cm，可見光波段的平均透過率達(dá)到91%以上，對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽電池發(fā)電效率造成的影響小于10%。對(duì)復(fù)合薄膜在LEO軌道環(huán)境中的帶電防護(hù)性能進(jìn)行的地面驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于相同的太陽電池陣樣品，未防護(hù)的樣品靜電放電次數(shù)隨著串間電壓升高而增多，且在串間電壓達(dá)到80 V時(shí)樣品就發(fā)生了二次放電現(xiàn)象，而使用防護(hù)膜進(jìn)行防護(hù)的樣品未發(fā)生放電現(xiàn)象，因此透明導(dǎo)電復(fù)合薄膜具有良好的防護(hù)性能，可以有效防止LEO環(huán)境中的星用高壓太陽電池陣發(fā)生放電。

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THE STUDY OFDEFENDING FILM OF LEO SATELLITEHIGH-VOLTAGE SOLAR ARRAY CHARGING EFFECT

SHILianga，CHENYi-fengb，QIN Xiao-gangb，TANG Dao-tanb，LIU Qinga，LIZhong-huab
（a.Science and Technology on M aterial Perform ance Evaluating in Space Environment Laboratory，b.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

Satellite high-voltage solar array has been appliedmore and more，but the on-orbitanomalies and failures of the satellite occurred sometimes，becauseof the charging effecton high-voltage solar array.Thispaper presenta defending film of satellite high-voltage solar array charging effect.This film can avoid the charging effect，by preventing the interaction between solar array and space plasma.The structure of this film is ITO/HMDSO/transparent film，transparent conductive of the film ismore than 90%.The charging effect protection ability of this film has been tested，the results proved the film would avoid the charging effect，when high-voltage solararray fly in the LEO environment.

high-voltage solararray；charging effect；defending film

O484；TM 914.4

A

1006-7086（2016）01-0035-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.008

2015-10-26

史亮（1979-），男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，碩士，從事空間環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)與防護(hù)技術(shù)研究。E-mail:8269122@qq.com。