空間高軌高壓太陽電池陣靜電防護(hù)技術(shù)研究

張帆，葛圣胤，劉智

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

自從1957年10月4日人類第一個(gè)人造地球衛(wèi)星進(jìn)入太空開始，地球空間環(huán)境對(duì)航天器太陽電池陣影響的問題受到極大關(guān)注[1]。太陽電池陣在軌工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)遭遇到來自空間包括壓力、溫度、微重力、原子氧、微流星體和空間垃圾、紫外輻射及粒子輻射環(huán)境等自然輻射環(huán)境的影響[2-3]。幾十年來人們對(duì)地球空間環(huán)境的研究不斷深入，也認(rèn)識(shí)到地球空間環(huán)境對(duì)航天器太陽電池陣有極為重要的影響。

當(dāng)航天器需要很大的電源功率的時(shí)候，為了減少輸電過程中的損耗，也為了減少供電電流和地磁場(chǎng)的相互作用，通常采用高電壓供電，工作電壓一般為幾百伏到數(shù)千伏[4]，工作在100 V以上的太陽電池陣被稱為高壓太陽電池陣[5]。如果太陽電池串之間的電勢(shì)差高于某一閾值電壓，在相鄰兩串電池的串間通過高濃度等離子體形成的通路產(chǎn)生電流。該通路能夠產(chǎn)生足夠的能量導(dǎo)致太陽電池之間或太陽電池與太陽陣基板之間材料發(fā)生熱解，并在太陽電池之間產(chǎn)生一個(gè)異常的低電阻通路，導(dǎo)致太陽電池陣永久性短路，甚至使衛(wèi)星失去供電。

文中主要是對(duì)高軌高壓太陽電池陣靜電防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，通過太陽電池陣靜電放電閾值摸底試驗(yàn)，獲得太陽電池串發(fā)生靜電放電故障時(shí)太陽電池串之間電壓閾值，為后續(xù)高軌高壓太陽電池陣設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，提高太陽電池陣在軌運(yùn)行可靠性。

1 靜電放電原理

空間中存在著大量質(zhì)子和電子，由于電子轟擊以及太陽光照產(chǎn)生二次發(fā)射電子，太陽電池玻璃蓋片表面發(fā)射電子，使太陽電池玻璃蓋片相對(duì)于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)充電到一個(gè)正電荷，此時(shí)基板的電勢(shì)相對(duì)變化較小。當(dāng)太陽電池玻璃蓋片與基板之間的電位差超過一定電壓時(shí)，在空間真空環(huán)境中，真空、介質(zhì)和金屬界面結(jié)合部會(huì)導(dǎo)致靜電放電，放電時(shí)間為微秒級(jí)，稱為一次放電（Primary Arc，PA），這種放電對(duì)太陽電池陣沒有影響。

一次放電會(huì)在太陽電池玻璃蓋片和太陽電池的互連片之間、太陽電池玻璃蓋片和基板之間發(fā)生放電的地點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)高濃度的等離子體，密度約為106～107m-3。當(dāng)電池串之間的電勢(shì)差高于閥值電壓時(shí)，在太陽電池電路高電位和低電位之間的電流通過高濃度的等離子體通路，一般能夠維持毫秒級(jí)的時(shí)間，稱為二次放電（Secondary Arc，SA）。根據(jù)放電持續(xù)時(shí)間不同還可分為“非持續(xù)性放電”（Non-sustained Arc，NSA）、“暫時(shí)持續(xù)性放電”（Temporary Sustained Arc，TSA）、“長(zhǎng)期持續(xù)性放電”（Permanent Sustained Arc，PSA）[6]，長(zhǎng)期持續(xù)性放電發(fā)生概率較低，太陽電池靜電放電及其分類如圖1所示。

持續(xù)的二次放電會(huì)引起太陽電池串的短路，造成太陽電池陣輸出功率的下降[7-8]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星任務(wù)失敗[9]。因此對(duì)于高軌高壓太陽陣而言，應(yīng)該重視二次放電對(duì)太陽電池陣的影響。

2 靜電放電試驗(yàn)研究

在高軌道環(huán)境中，組成等離子體的物質(zhì)主要是質(zhì)子和電子，電子和質(zhì)子以不同的速度（能量不同）作自由運(yùn)動(dòng)，粒子的機(jī)械能可以用E=1/2?m? V2進(jìn)行計(jì)算。由于質(zhì)子質(zhì)量約為電子的1800倍，因此處于平衡狀態(tài)的等離子體中，同等能量電子的運(yùn)動(dòng)速度是質(zhì)子的42倍。當(dāng)?shù)入x子體與太陽電池陣作用時(shí)，主要是電子對(duì)太陽電池陣表面充電，充電過程導(dǎo)致高壓太陽電池陣表面相對(duì)于空間等離子體呈負(fù)電位，并在高壓太陽電池陣光照面和基板間形成反向電場(chǎng)梯度，即基板和金屬互連片的充電電位比太陽電池玻璃蓋片上的充電電位更低。這種電場(chǎng)分布會(huì)使高壓太陽電池陣表面產(chǎn)生靜電放電。太陽電池陣靜電放電模型詳見圖2所示。

由于太陽電池陣的二次放電可使太陽電池PN結(jié)擊穿，造成太陽電池輸出功率的下降，因此需對(duì)太陽電池陣的靜電放電問題進(jìn)行防護(hù)研究。本試驗(yàn)研究了一次放電、二次放電對(duì)在軌太陽電池陣的影響：通過外加電弧的方式對(duì)太陽電池試驗(yàn)件進(jìn)行一次放電模擬試驗(yàn)，研究一次放電對(duì)太陽電池試驗(yàn)件性能的影響；通過電子注入模擬高軌等離子體環(huán)境，采用單一電子能量模擬多能譜能量的環(huán)境，對(duì)太陽電池陣二次放電閾值進(jìn)行摸底試驗(yàn)。獲得了二次放電發(fā)生時(shí)太陽電池串之間電壓的閾值，為后續(xù)太陽電池串之間的電壓差設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而避免太陽電池陣發(fā)生二次放電而造成功率下降問題。

2.1 太陽電池試驗(yàn)件制作

為了模擬太陽電池陣一次放電試驗(yàn)和二次放電試驗(yàn)，選擇如下方式制作太陽電池試驗(yàn)件。

1）單組太陽電池試驗(yàn)件選擇在基板上布貼 3串2并的三結(jié)砷化鎵（GaInP2/InGaAs/Ge）太陽電池組件。

2）單片太陽電池尺寸選擇為60.5 mm×40.0 mm，單組太陽電池試驗(yàn)件尺寸為150 mm×150 mm。

3）參考漢斯·S·勞申巴赫《太陽電池陣設(shè)計(jì)手冊(cè)》，太陽電池串聯(lián)方向上相鄰電池間最小間隙為0.5 mm，太陽電池并聯(lián)方向上相鄰電池間最小間隙為0.5～1 mm?？紤]太陽電池串在實(shí)際貼片中工藝過程的控制（采用工裝控制太陽電池串聯(lián)、并聯(lián)之間的間隙），以及最大化提高太陽帆板上太陽電池貼片率，太陽電池組件串聯(lián)、并聯(lián)間隙均設(shè)計(jì)為1 mm。

4）單組太陽電池試驗(yàn)件輸出 4根導(dǎo)線，分別為2條太陽電池組件的正、負(fù)極輸出引線。

單組太陽電池試驗(yàn)件布局如圖3所示。

2.2 一次放電試驗(yàn)研究

按照?qǐng)D 2中試驗(yàn)件制作方式制作一組太陽電池試驗(yàn)件TG01，通過外加電弧方式，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行100次一次放電模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)件狀態(tài)見表1。

通過試驗(yàn)前以及每20次一次放電后對(duì)太陽電池試驗(yàn)件進(jìn)行 I-V特性測(cè)試，對(duì)比分析試驗(yàn)件工作點(diǎn)電壓（Vm）、工作點(diǎn)電流（Im）輸出能力，對(duì)比情況見表2。

表1 一次放電試驗(yàn)件狀態(tài)

表2 TG01試驗(yàn)件Vm，Im輸出能力對(duì)比

從表2中可以看出，試驗(yàn)件TG01在經(jīng)過100次一次放電試驗(yàn)后，試驗(yàn)件的I-V特性無明顯變化，其中工作點(diǎn)電壓 Vm在試驗(yàn)前后變化為-0.102%～0.043%，工作點(diǎn)電流 Im在試驗(yàn)前后變化-0.392%～0.157%，考慮到I-V特性的測(cè)試誤差為±1%，Vm和Im輸出能力屬于正常波動(dòng)范圍，對(duì)太陽電池整體電性能輸出無影響。因此，一次放電不會(huì)對(duì)太陽電池陣電性能輸出造成影響。

2.3 二次放電試驗(yàn)研究

2.3.1 二次放電試驗(yàn)件狀態(tài)

依據(jù) GJB 7363—2011《空間等離子體環(huán)境效應(yīng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，高壓太陽電池陣串間電路的工作電壓由太陽陣模擬器提供，太陽陣模擬器即為太陽電池陣樣品串間電路提供工作電壓和工作電流的設(shè)備。根據(jù)樣品類型及樣品中電池片的數(shù)量調(diào)整輸出電壓，一般為 0～200 V，限制電流一般為 2～3 A。文中二次放電試驗(yàn)按照?qǐng)D2制作太陽電池試驗(yàn)件TG11—TG18，采用恒流源對(duì)太陽電池試驗(yàn)件兩端通電加壓，可以給試驗(yàn)件串間電路提供工作電壓和工作電流，該試驗(yàn)方法可以有效模擬太陽電池陣在軌真實(shí)工作狀態(tài)。試驗(yàn)件狀態(tài)見表3，試驗(yàn)件用途均為進(jìn)行二次放電閾值摸底試驗(yàn)。太陽電池組件恒流源通電方式如圖4所示。

2.3.2 二次放電試驗(yàn)條件

二次放電試驗(yàn)過程中相關(guān)參數(shù)如下：試驗(yàn)真空度為1.7×10-4～7.3×10-4Pa；電子能量為14 keV；束流為0.5，1.0，1.5，2 nA/cm2；相鄰電池串間電壓差為50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，160，170，180，190，200 V；限定電流為2.1 A；環(huán)境溫度為(30±5) ℃。

表3 二次放電試驗(yàn)件狀態(tài)

2.3.3 二次放電試驗(yàn)分析

對(duì)試驗(yàn)件（TG11—TG18）進(jìn)行了反向及正向電流的二次放電閾值摸底試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程中，束流密度從0.5 nA/cm2每隔0.5 nA/cm2升高至2 nA/cm2，相鄰電池串間電壓在不同的束流密度條件下從 50 V以10 V/10 min上升，最終增大至200 V。

1）試驗(yàn)件TG11、TG12在80 V時(shí)出現(xiàn)二次放電現(xiàn)象，放電頻率為10～15次/10 min。二次放電位置照片和放電典型波形如圖5、圖6所示，從圖5中可以看出，在兩串太陽電池并聯(lián)間隙之間發(fā)生二次放電現(xiàn)象。

2）試驗(yàn)件TG13、TG14在110 V時(shí)出現(xiàn)二次放電現(xiàn)象，放電頻率為12～16次/10 min，二次放電位置照片和放電典型波形如圖7、圖8所示，從圖7中可以看出，在兩串太陽電池并聯(lián)間隙之間發(fā)生二次放電現(xiàn)象。

3）試驗(yàn)件TG15—TG18外觀無明顯變化，無二次放電現(xiàn)象發(fā)生。

試驗(yàn)完成后對(duì)太陽電池組件 TG11—TG18進(jìn)行了 I-V特性測(cè)試，發(fā)生二次放電的太陽電池試驗(yàn)件TG11—TG14在試驗(yàn)后，太陽電池試驗(yàn)件工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流相對(duì)于試驗(yàn)前均出現(xiàn)明顯下降，如圖9a—d所示?？梢钥闯?，由于太陽電池試驗(yàn)件TG11—TG14在試驗(yàn)過程中發(fā)生了放電頻率為 10～16次/10 min的二次放電現(xiàn)象，試驗(yàn)件在工作點(diǎn)電壓輸出能力相較于試驗(yàn)前下降了 2.0%～33.7%，工作點(diǎn)電流輸出能力相較于試驗(yàn)前下降了2.8～9.5%，工作點(diǎn)電壓和電流下降程度已超出測(cè)試誤差±1%的范圍?？梢哉J(rèn)為二次放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)太陽電池造成不同程度的損傷，直接降低太陽電池工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流電性能輸出。未出現(xiàn)二次放電的太陽電池試驗(yàn)件TG15—TG18在試驗(yàn)前后I-V特性較為一致，太陽電池試驗(yàn)件工作點(diǎn)電壓和電流相對(duì)于試驗(yàn)前狀態(tài)均無明顯變化，如圖9e—h所示。

從圖9e—h可以看出，未發(fā)生二次放電的太陽電池試驗(yàn)件TG15—TG18在試驗(yàn)后，試驗(yàn)件在工作點(diǎn)電壓的輸出能力相較于試驗(yàn)前變化范圍為-0.5%～0.5%，工作點(diǎn)電流輸出能力相較于試驗(yàn)前變化范圍為-0.07%～ -0.6%。工作點(diǎn)電壓和電流試驗(yàn)前后變化范圍均在測(cè)試誤差±1%的范圍之內(nèi)，太陽電池試驗(yàn)件TG15—TG18工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流性能輸出未受二次放電摸底試驗(yàn)影響。通過上述二次放電試驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論。

1）串并聯(lián)間隙為 1 mm、并聯(lián)間隙未涂敷 RTV硅橡膠太陽電池陣試驗(yàn)樣件通正向電流，二次放電閥值為80 V；通反向電流，二次放電閥值為110 V。

2）二次放電會(huì)對(duì)太陽電池本身造成一定損傷，直接影響太陽電池工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流電性能輸出能力。

3）通過高軌高壓太陽電池陣二次放電試驗(yàn)驗(yàn)證，串并聯(lián)間隙為1 mm、并聯(lián)間隙間涂敷RTV硅橡膠太陽電池陣試驗(yàn)樣件通正向電流或者反向電流，相鄰電池串之間壓差200 V范圍內(nèi)均不會(huì)出現(xiàn)二次放電現(xiàn)象。

3 高軌高壓太陽電池陣防靜電設(shè)計(jì)

為了防止高軌高壓太陽電池陣在軌運(yùn)行時(shí)由于等離子體的靜電放電引起二次放電，對(duì)太陽電池電路造成功率損失。參考上述試驗(yàn)結(jié)果，以100.3 V母線高軌太陽電池陣設(shè)計(jì)為例，太陽電池陣采用60片三結(jié)砷化鎵太陽電池進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)，太陽電池尺寸為60.5 mm×40.0 mm，單片太陽電池工作電壓為2430 mV，單片太陽電池工作電流為0.4 A，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)中限定太陽電池電流2.1 A。太陽電池陣可以采取如下防護(hù)設(shè)計(jì)。

1）在太陽電池電路布局時(shí)，采用“S”型的布片方式，在充分考慮功率輸出的情況下，對(duì)太陽電池陣進(jìn)行降壓設(shè)計(jì)。從上述單片太陽電池工作電壓以及單串太陽電池串聯(lián)數(shù)可知：?jiǎn)未栯姵卮敵鲭妷簽?45.8 V。由于太陽電池串輸出電壓被母線鉗位，則太陽電池串輸出電壓為母線電壓100.3 V?？紤]太陽電池串之間二次放電閾值為80 V，太陽電池串采用6折的降壓設(shè)計(jì)，每折太陽電池串為10片太陽電池，將相鄰太陽電池串間的最大電壓差控制在33.44 V，滿足航天Ⅰ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。

2）合理設(shè)計(jì)相鄰太陽電池串的并聯(lián)間隙，考慮太陽電池串在實(shí)際貼片中工藝過程的控制，設(shè)計(jì)太陽電池組件串、并聯(lián)間隙為1 mm。

3）在太陽電池串的并聯(lián)間隙中涂覆RTV硅橡膠以提高其二次放電閾值，其二次放電閾值能夠達(dá)到200 V以上。

上述 100.3 V母線高軌太陽電池陣靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)經(jīng)過某型號(hào)鑒定級(jí)熱真空試驗(yàn)考核，熱真空試驗(yàn)過程中未發(fā)生二次靜電放電現(xiàn)象，試驗(yàn)前后太陽電池陣工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流電性能輸出較為一致，靜電防護(hù)設(shè)計(jì)合理有效。

4 結(jié)論

通過對(duì)高軌高壓太陽電池陣靜電防護(hù)設(shè)計(jì)研究，太陽電池組件在經(jīng)過100次一次放電試驗(yàn)后，太陽電池組件工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流電性能輸出并未受到影響，在太陽電池陣靜電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可以無需考慮一次放電的影響。通過通過高軌高壓太陽電池陣二次放電試驗(yàn)驗(yàn)證，摸索出太陽電池陣試驗(yàn)樣件通正向電流，二次放電閥值為 80 V；通反向電流，二次放電閥值為110 V。

文中提供了一種有效針對(duì)100.3 V高壓母線太陽電池陣的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)方法：考慮太陽電池串在實(shí)際貼片中工藝過程的控制，控制太陽電池組件串、并聯(lián)間隙為1 mm；設(shè)計(jì)過程中合理控制相鄰太陽電池串壓差，控制相鄰太陽電池串最大壓差為33.44 V；太陽電池組件并聯(lián)間隙間涂敷 RTV硅橡膠，提高其二次放電閾值，其二次放電閾值能夠達(dá)到200 V以上。