太陽(yáng)電池抗激光輻射效應(yīng)研究

呂 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

太陽(yáng)電池抗激光輻射效應(yīng)研究

呂 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

激光武器不僅可用于戰(zhàn)術(shù)防空、戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)，像常規(guī)武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機(jī)等，同時(shí)還可用摧毀對(duì)方的衛(wèi)星。介紹了YAG激光武器對(duì)衛(wèi)星用太陽(yáng)電池的輻射效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述了激光武器對(duì)太陽(yáng)電池的損傷方式和損傷效應(yīng)。

激光武器;太陽(yáng)電池;功率密度

激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。它既可以在地面使用，也可以與航天器相結(jié)合部署在宇宙空間，對(duì)對(duì)方的空中目標(biāo)實(shí)施閃電般的攻擊，以摧毀對(duì)方的偵察衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)兩個(gè)太陽(yáng)翼展開，太陽(yáng)電池直接暴露在外層太空之中，其面積為幾平米到幾十平方米甚至更大，且不像星上其他部件單機(jī)有衛(wèi)星蒙皮、機(jī)殼提供很大面密度的屏障，所以最容易成為激光攻擊的目標(biāo)。作為衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要發(fā)電器件，太陽(yáng)電池是衛(wèi)星電源抗輻射加固的重點(diǎn)。太陽(yáng)電池陣是整個(gè)衛(wèi)星的電力系統(tǒng)，太陽(yáng)電池陣一旦失效，衛(wèi)星將會(huì)因電力缺乏而導(dǎo)致最終失效。

1 工作原理

1.1 太陽(yáng)電池工作原理

太陽(yáng)電池陣的作用是在光照期為整個(gè)衛(wèi)星及其負(fù)載提供電能。太陽(yáng)電池陣是由單體太陽(yáng)電池通過(guò)串、并聯(lián)構(gòu)成的陣列。

太陽(yáng)電池利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光 (基本為可見(jiàn)光波段)能量轉(zhuǎn)化成電能。目前，衛(wèi)星采用的太陽(yáng)電池類型為Si(基底為硅)、GaAs(基底為鍺)等。太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基底和PN結(jié)區(qū)、增透膜、防紫外濾光膜、膠層和蓋片(熔融石英或鈰玻璃)、抗靜電涂層等[1]。

激光照射到材料表面時(shí)，一部分被材料表面反射、一部分被材料吸收，另一部分通過(guò)材料透射。只有被吸收的激光能量才會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生作用。材料對(duì)激光的吸收除了取決于材料的種類外，還與激光的波長(zhǎng)有關(guān)。連續(xù)的激光輻照太陽(yáng)電池在國(guó)內(nèi)開展的工作較少。

圖1 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 激光武器對(duì)太陽(yáng)電池的損傷機(jī)理

激光武器對(duì)太陽(yáng)電池的損傷主要是兩種機(jī)理：

(1)對(duì)太陽(yáng)電池的影響表現(xiàn)為熱損傷，隨著輻照過(guò)程中電池溫度升高，電性能降低或基本消失，但輻照結(jié)束后，太陽(yáng)電池的電性能基本恢復(fù)，開路電壓Voc和短路電流IS比輻照前要低一些，這主要是由于太陽(yáng)電池P/N結(jié)還未被擊穿，但被激光輻照的太陽(yáng)電池正面產(chǎn)生了一個(gè)圓形斑痕，在激光光斑區(qū)域產(chǎn)生了較輕微的融蝕，背面的銀膜發(fā)生了氧化變色，因而影響了太陽(yáng)電池功率。因此在此段功率的激光輻照后，太陽(yáng)電池以及太陽(yáng)電池陣供電系統(tǒng)仍能正常工作。

(2)大功率激光輻照太陽(yáng)電池一定時(shí)間后，無(wú)論是輻照中還是輻照后，太陽(yáng)電池皆無(wú)電性能，且輻照后電池的電性能永久喪失，不可恢復(fù)，即太陽(yáng)電池P/N結(jié)已被擊穿。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用激光武器是YAG(釔鋁石榴石)，波長(zhǎng)為1.319 μm，型號(hào)為Minilite-Ⅱ，總功率為50 W。通過(guò)調(diào)節(jié)激光武器的功率使激光武器的出光功率，在輻照前、輻照過(guò)程中的不同時(shí)間以及輻照后測(cè)試太陽(yáng)電池的I-V曲線，觀察太陽(yáng)電池表面變化情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

YAG激光武器輻照實(shí)驗(yàn)使用的儀器和設(shè)備包括：

(1)激光武器為 YAG 激光武器(1.319 μm、50 W)。

激光武器激光功率密度和能量密度的計(jì)算公式分別為：

式中：P為激光功率；t為激光作用時(shí)間；d為激光能量的光斑直徑；I0為功率密度；E0為能量密度。

(2)鹵鎢燈：作為太陽(yáng)輻射的簡(jiǎn)易模擬裝置，功率為800 W。

(3)I-V曲線測(cè)試儀：型號(hào)為MP160，用以測(cè)量太陽(yáng)電池的輸出特性曲線。

(4)功率計(jì)：型號(hào)為L(zhǎng)P-3B、LP-3C，測(cè)量范圍為0～200 W。溫度測(cè)試儀器。采用PXI-1011數(shù)據(jù)采集儀和K型熱電偶，以及相應(yīng)的熱電偶調(diào)理模塊組成。

還包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、光學(xué)元器件、錄像機(jī)、照相機(jī)等。

2.3 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)選用的電池尺寸為：硅電池20 mm×40 mm,砷化鎵電池30 mm×40 mm電池,這是目前太陽(yáng)電池陣普遍采用的電池。電池樣品如圖2和圖3所示。

圖2 硅單體電池圖

圖3 砷化鎵單體電池

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)節(jié)功率和光斑的大小改變了功率密度，同時(shí)也做時(shí)間上的調(diào)整，經(jīng)過(guò)多次正交實(shí)驗(yàn)得出下文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。砷化鎵太陽(yáng)電池的各個(gè)功率點(diǎn)的閾值表，見(jiàn)表1。根據(jù)表1可以繪出功率曲線圖，如圖4和圖5所示。

表1 砷化鎵太陽(yáng)電池的各個(gè)功率點(diǎn)的閾值表

圖4 砷化鎵電池功率損傷曲線

圖5 砷化鎵電池能量損傷曲線

硅太陽(yáng)電池的各個(gè)功率點(diǎn)的閾值表，見(jiàn)表2。根據(jù)表2可以繪出功率曲線圖，如圖6和圖7所示。

由于受激光武器總的功率的限制，實(shí)驗(yàn)中硅太陽(yáng)電池的損傷閾值在45 W(功率最大)時(shí)3.5 s為損傷的最小時(shí)間。由于砷化鎵電池的吸收能量比較高，所以在26 W時(shí)0.5 s就將電池徹底物理?yè)舸?，而在此功率下根本無(wú)法將硅太陽(yáng)電池?fù)舸p傷。

表2 硅太陽(yáng)電池的各個(gè)功率點(diǎn)的閾值表

圖6 硅太陽(yáng)電池?fù)p傷功率曲線

圖7 硅太陽(yáng)電池?fù)p傷能量率曲線

由圖8、圖9的溫升曲線可以看出，硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池的溫升變化規(guī)律是一致的，只是由于功率密度的不同，輻照時(shí)間不同造成的最高溫度點(diǎn)不同。

圖8 砷化鎵太陽(yáng)電池光照期間溫度變化(166 W/cm2)

圖9 硅太陽(yáng)電池光照期間溫度變化(396 W/cm2)

對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)的電池進(jìn)行拍照，圖10為被擊穿(無(wú)性能)的硅太陽(yáng)電池，圖11為激光擊打點(diǎn)的放大圖(放大250倍)。圖12為未被擊穿(有電性能且與輻照前相同)的硅太陽(yáng)電池，圖13為激光擊打點(diǎn)的放大圖(放大250倍)。圖14為被擊穿(無(wú)性能)的砷化鎵太陽(yáng)電池，圖15為激光擊打點(diǎn)的放大圖(放大250倍)。圖16為未被擊穿(有電性能且與輻照前相同)的砷化鎵太陽(yáng)電池，圖17為激光擊打點(diǎn)的放大圖(放大250倍)。

圖10 無(wú)性能硅電池（擊穿）

圖11 激光輻照的硅電池放大圖

圖12 激光輻照的硅電池（未擊穿）

圖13 激光輻照的硅電池放大圖

圖14 激光輻照的砷化鎵電池（未擊穿）

圖15 激光輻照的砷化鎵電池放大圖

圖16 激光輻照的砷化鎵電池（擊穿）

圖17 激光輻照的砷化鎵電池放大圖

4 結(jié)論

YAG激光對(duì)太陽(yáng)電池的損傷主要是熱燒蝕效應(yīng)。當(dāng)YAG激光照射到太陽(yáng)電池表面時(shí)，其一部分被太陽(yáng)電池表面反射，而另一部分則被太陽(yáng)電池的基體(太陽(yáng)電池以及抗輻照玻璃蓋片)吸收。當(dāng)YAG激光光束照射到太陽(yáng)電池上時(shí)，由于太陽(yáng)電池表面的抗輻照玻璃蓋片對(duì)1.319 μm的YAG激光的透過(guò)率很高，達(dá)93%以上，絕大部分的YAG激光的透過(guò)玻璃蓋片，其中一部分被太陽(yáng)電池反射掉，而另一部分則被太陽(yáng)電池吸收。這些能量被太陽(yáng)電池吸收后，使太陽(yáng)電池局部溫度升高，由于太陽(yáng)電池的反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，其上升速度很快，因此，隨著太陽(yáng)電池結(jié)溫的上升，反向飽和電流密度也迅速上升，產(chǎn)生的熱能也迅速增大，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫上升，反向飽和電流密度增大。當(dāng)激光功率達(dá)到一定閾值時(shí)，如此反復(fù)下去，最后使反向飽和密度無(wú)限增大而發(fā)生PN結(jié)擊穿。于是太陽(yáng)電池電性能永久失效，并不可恢復(fù)。需要說(shuō)明的是，被輻照后太陽(yáng)電池表面較大的圓形斑痕并不是激光作用光斑，而是激光加熱硅或砷化鎵材料以后，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式再加熱玻璃蓋片，導(dǎo)致玻璃蓋片與硅材料的接觸面被融蝕后產(chǎn)生的。

[1]漢斯.S.勞申巴赫.太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].張金熹，廖春發(fā)，傅德棣，等譯.北京:宇航出版社,1987：125-129.

Effect of laser's radiation on solar cell

LV Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Laser can not only apply to tactical air defense,war zone anti-missile,attack and slaughter enemy as conventional weapon,destroy tank and plane,but also apply to destroy enemies'satellite.The effects of YAG laser's radiation on solar cell for satellite were introduced,which was applied to satellite,and the laser's damage ways and the effect on solar cell were explained according to experience's result.

laser;solar cell;power density

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1022-03

2016-12-15

呂偉（1972—），男，天津市人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘?yáng)電池陣。