低軌道高壓太陽電池陣充放電效應(yīng)試驗(yàn)

陳益峰，柳 青，楊生勝，秦曉剛，李得天

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(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)試驗(yàn)

陳益峰，柳 青，楊生勝，秦曉剛，李得天

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000)

針對(duì)我國空間站采用的高壓太陽電池，開展低軌道等離子體環(huán)境下高壓太陽陣樣品充放電效應(yīng)試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)了高壓太陽電池陣靜電放電和二次放電現(xiàn)象。結(jié)果表明，高壓太陽電池偏置電壓為-70V時(shí)開始出現(xiàn)靜電放電，且靜電放電次數(shù)隨著偏置電壓的減小而增大，并在高密度的等離子體環(huán)境下更容易發(fā)生靜電放電。當(dāng)偏置電壓為-100V，串間電壓為80V時(shí)觀測(cè)到了二次放電。

低軌道等離子體；高壓太陽電池；靜電放電；偏置電壓；二次放電

0 引 言

隨著人類空間活動(dòng)規(guī)模的不斷增加以及航天器功能的不斷豐富，對(duì)航天器功率供給能力的要求也隨之增加，因此空間使用大功率太陽電池已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[1]。為降低能量傳輸損耗并減小電纜重量，空間太陽電池通常采用高工作電壓來實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的功率提高，目前國際空間站太陽電池工作電壓高達(dá)160V[2-3]，我國“天宮一號(hào)”工作電壓已達(dá)100V，后續(xù)空間實(shí)驗(yàn)室的工作電壓將更高。

空間環(huán)境是影響航天器在軌安全的重要因素[4-5]。在低地球軌道(Low Earth orbit, LEO)，空間的等離子體為電離層等離子體，其特性為高密度和低能量，稱為冷稠等離子體。在冷稠等離子體作用下，采用高工作電壓的空間實(shí)驗(yàn)室將產(chǎn)生收集電流增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)電位漂移和靜電放電等復(fù)雜的充放電過程，將影響空間實(shí)驗(yàn)室多個(gè)艙段的交匯對(duì)接和航天員出艙安全，并將誘發(fā)太陽電池串間的二次放電，使得太陽電池?zé)龤?，?dǎo)致航天器功率損失甚至能源系統(tǒng)失效。

在高壓太陽電池空間應(yīng)用初期，國內(nèi)外已開始關(guān)注低溫稠密等離子體環(huán)境下的高壓太陽電池靜電放電與二次放電問題，開展了較多研究工作，為高壓太陽電池的空間應(yīng)用提供了有利支持。文獻(xiàn)[6-7]主要針對(duì)高壓太陽電池的電流收集增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，未涉及靜電放電與二次放電效應(yīng)，文獻(xiàn)[8]研究了LEO軌道等離子體環(huán)境下高壓太陽電池易發(fā)生靜電放電位置，文獻(xiàn)[9-10]對(duì)高壓太陽電池放電后的性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，但上述文獻(xiàn)未考慮等離子體環(huán)境等參數(shù)變化對(duì)高壓太陽電池放電性能的影響。

本文針對(duì)LEO軌道環(huán)境特點(diǎn)和高壓太陽電池工況，開展了高壓太陽電池不同偏置電壓(相對(duì)空間等離子體電位)、串間電壓和不同等離子體參數(shù)下靜電放電與二次放電試驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)了LEO軌道高壓太陽電池陣靜電放電和二次放電現(xiàn)象，并獲得不同工況和等離子體參數(shù)下高壓太陽電池放電特性規(guī)律，對(duì)LEO軌道高壓太陽電池的充放電效應(yīng)防護(hù)研究具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)方法

靜電放電是指空間等離子體與高壓太陽電池相互作用，造成的太陽電池局部位置(主要為等離子體、玻璃蓋片和互聯(lián)片結(jié)合處)電弧放電現(xiàn)象；二次放電又稱為持續(xù)放電，是指靜電放電誘發(fā)的太陽電池串間放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將造成太陽電池陣基板之間的材料熱解，并導(dǎo)致太陽陣電池串間永久性短路。

LEO軌道等離子體環(huán)境下高壓太陽電池靜電放電試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所空間等離子體帶電效應(yīng)模擬設(shè)備上進(jìn)行，如圖1(a)所示。低軌道等離子體環(huán)境由等離子體源產(chǎn)生的等離子體模擬，并由置于太陽電池附近的朗繆爾探針對(duì)等離子體的溫度和密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。LEO軌道等離子體密度約為1010～1012m-3，溫度為0.1～1eV，但由于航天器具有一定的軌道運(yùn)行速度，導(dǎo)致等離子體與航天器的碰撞速度大于等離子體的熱運(yùn)動(dòng)速度，因此地面試驗(yàn)中將等離子體溫度選取為1eV，密度選取為1012m-3。

試驗(yàn)中使用我國空間站采用的GaAs高壓太陽陣樣品，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)。根據(jù)高壓太陽陣工作原理，設(shè)計(jì)的高壓太陽陣模擬試驗(yàn)電路如圖1(b)所示。利用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源P1在太陽陣提供串間電壓，利用高壓電源P2提供偏置電壓，圖1(b)中：表V為電壓表，監(jiān)測(cè)回路內(nèi)電壓；T1、T2為電流探頭，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；C4為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)空間的電容；L1為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)空間的電感；R為回路可調(diào)負(fù)載電阻；R1、R2為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)電阻。

試驗(yàn)中高壓太陽電池靜電放電和二次放電測(cè)試主要采用電流探頭和高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)放電脈沖波形的測(cè)試，并利用CCD相機(jī)對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜電放電試驗(yàn)研究

本文采用等離子體源產(chǎn)生能量為1eV，密度為2.7×1012m-3等離子體，調(diào)節(jié)直流電源P2設(shè)置太陽電池陣樣品偏置電壓(-100～0V，步進(jìn)為10V)，從而研究不同高壓太陽電池偏置電壓下的靜電放電現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)偏置電壓為-70V時(shí)高壓太陽電池開始出現(xiàn)靜電放電，放電波形如圖2所示。

圖3描述的是偏置電壓分別為-70V、-80V、-90V和-100V時(shí)，不同串間電壓下高壓太陽電池樣品靜電放電次數(shù)。

從圖3可以看出，由于放電的隨機(jī)性，雖然同一偏置電壓時(shí)不同串間電壓下高壓太陽電池靜電放電次數(shù)略有不同，但總體而言，高壓太陽電池靜電放電次數(shù)隨偏置電壓幅值的增大而增大。

在Mengu Cho建立的高壓太陽電池三結(jié)合處(等離子體、玻璃蓋片和互聯(lián)片)靜電擊穿模型中[10]，認(rèn)為當(dāng)高壓太陽電池偏置電位為負(fù)值時(shí)，空間低溫稠密等離子體將在玻璃蓋片等介質(zhì)材料表面積累正電荷，如圖4所示。金屬互連片為負(fù)電位，因此將建立玻璃蓋片至金屬互連的電場(chǎng)，此時(shí)等離子體中離子與材料表面作用產(chǎn)生的二次電子將在該電場(chǎng)加速，并不斷與附近材料作用產(chǎn)生更多次級(jí)電子，如此循環(huán)直至雪崩擊穿，誘發(fā)靜電放電。

隨著金屬互連片偏置電壓幅值變大，將會(huì)在太陽電池玻璃蓋片表面吸引更多的正電荷，造成“真空-互聯(lián)-玻璃蓋片”結(jié)合處的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)互聯(lián)片偏置電壓越低將吸引更多的離子碰撞，產(chǎn)生更多次級(jí)電子，從而導(dǎo)致靜電放電更容易發(fā)生。

對(duì)于LEO軌道，不同高度的軌道環(huán)境中等離子體溫度均為10-1eV，而等離子體密度存在較大差異[7,10]，因此試驗(yàn)中還研究了等離子體密度對(duì)高壓太陽電池靜電放電的影響。如圖5所示，試驗(yàn)研究了當(dāng)?shù)入x子體密度為1.2×1012m-3，能量為1eV，偏置電壓為-70V和-80V時(shí)的高壓太陽電池靜電放電特性。

從圖5可以看出，高壓太陽電池在偏置電壓為-80V時(shí)的靜電放電次數(shù)明顯多于-70V的次數(shù)，這與圖4中的研究結(jié)果一致。同時(shí)，比較分析不同等離子體密度下靜電放電情況，當(dāng)?shù)入x子體密度為1.2×1012m-3時(shí)太陽電池靜電放電次數(shù)明顯少于密度為2.7×1012m-3時(shí)。由此可知，高壓太陽電池的靜電放電次數(shù)隨著等離子體密度的增加而增加，這主要是因?yàn)殡S著等離子體密度的增加，等離子體中更多的離子將與金屬互聯(lián)以及玻璃蓋片發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的次級(jí)電子，更容易誘發(fā)靜電放電。

2.2 二次放電試驗(yàn)研究

在當(dāng)偏置電壓為固定值時(shí)，調(diào)節(jié)直流電源P1設(shè)置串間工作電壓(50～160V，每隔10min增加10V)，用于研究高壓太陽電池二次放電現(xiàn)象。從圖4可以看出，串間工作電壓的升高對(duì)高壓太陽電池靜電放電頻率影響不大，但對(duì)二次放電的發(fā)生確是必須的。

當(dāng)偏置電壓為-100V，串間電壓為80V時(shí)，試驗(yàn)中觀測(cè)到了高壓太陽電池二次放電現(xiàn)象，二次放電剛開始時(shí)如圖6(a)所示。由于在頻繁的靜電放電誘發(fā)下，靜電放電在高壓太陽電池放電位置產(chǎn)生高濃度的等離子體。當(dāng)太陽電池串間工作電壓差高于閾值電壓時(shí)，串間高電位和低電位之間的電流流動(dòng)通過高濃度的等離子體通路產(chǎn)生能夠維持毫秒數(shù)量級(jí)的二次放電。當(dāng)通路產(chǎn)生足夠高的能量使太陽電池之間或太陽電池與太陽電池陣基板之間的材料發(fā)生熱解，并導(dǎo)致太陽陣電池串電路永久性短路，如圖6(b)所示。因此太陽電池串間電壓是產(chǎn)生二次放電的重要條件。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，高壓太陽電池靜電放電次數(shù)隨著偏置電壓幅值增大而增加，因此應(yīng)通過發(fā)射電子等電位控制方法提升高壓太陽電池相對(duì)于空間等離子體的偏置電壓，從而減少高壓太陽電池靜電放電次數(shù)；同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明,高壓太陽電池發(fā)生二次放電時(shí)的串間電壓為80V，因此應(yīng)將高壓太陽電池的串間工作電壓設(shè)計(jì)為80V以內(nèi)，從而抑制高壓太陽電池二次放電發(fā)生。

3 結(jié) 論

本文利用等離子體源模擬低軌道等離子體環(huán)境，完成了我國空間站采用的GaAs高壓太陽陣樣品充放電效應(yīng)試驗(yàn)，研究了不同工況和等離子體參數(shù)下高壓太陽電池放電特性，在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)了高壓太陽電池靜電放電和二次放電現(xiàn)象，獲得高壓太陽電池產(chǎn)生靜電放電最低偏置電壓值和二次放電串間電壓值。研究結(jié)果表明,高壓太陽電池偏置電壓為-70V時(shí)開始出現(xiàn)靜電放電，且靜電放電次數(shù)隨著偏置電壓幅值增大而增加，并在高密度的等離子體環(huán)境下更容易發(fā)生靜電放電。在偏置電壓為-100V，串間電壓為80V時(shí)觀測(cè)到了二次放電。研究結(jié)果有助于我國高壓太陽電池防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步空間應(yīng)用。

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(編輯：牛苗苗)

Experimental Investigation on High-Voltage Solar Arrays Charging/Discharging Effect in Low Earth Orbit

CHEN Yi-feng, LIU Qing, YANG Sheng-sheng, QIN Xiao-gang, LI De-tian

(Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

This paper studies the charging/discharging effect of the high-voltage solar arrays of the Chinese space station in the low Earth orbit plasma environment experimentally, and the electrostatic discharge and secondary discharge have been measured in the lab. The results indicate that the biased-voltage of the solar arrays electrostatic discharge is -70V. The electrostatic discharge of the high-voltage solar arrays is observed to be more frequent when the biased-voltage decreases, and it easily occurs when the solar arrays in a higher density plasma environment. The secondary discharge has been measured when the biased-voltage is -100V and the string-voltage is 80V.

Low Earth orbit plasma; High-voltage solar arrays; Electrostatic discharge; Biased-voltage; Secondary discharge

2016-09-19;

2017-02-16

國家自然科學(xué)基金(11105063)

V416.5

A

1000-1328(2017)05-0550-05

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.05.014

陳益峰(1981-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。