高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)與在軌性能分析

張曉鵬，莊海孝，曹 燕，左 苗，張香燕，王巍巍，周進(jìn)鋒

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司：北京 100094）

0 引言

電源系統(tǒng)作為航天器能量來(lái)源，是航天器運(yùn)行可靠性及壽命的主要影響因素。三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池是目前空間最常用的太陽(yáng)電池。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，以GaAs為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池成為光伏太陽(yáng)電池領(lǐng)域中最活躍、最富成果的電池種類[1]。

得益于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)GaInP寬帶隙和InGaAs窄帶隙材料體系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生長(zhǎng)等技術(shù)的發(fā)展，III-V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率有了很大的提高[2]；以空間應(yīng)用為目標(biāo)，采用反向生長(zhǎng)多結(jié)（inverted metamorphic multi-junction,IMM）生長(zhǎng)加襯底剝離技術(shù)制備的四結(jié)疊層電池逐漸受到重視。要實(shí)現(xiàn)該新型太陽(yáng)電池系統(tǒng)在空間環(huán)境下的應(yīng)用，首先需要通過(guò)在軌實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取其在軌測(cè)試數(shù)據(jù)，用來(lái)修正地面測(cè)試結(jié)果；同時(shí)，也要充分驗(yàn)證新材料、新工藝、新方法的空間適用性[3]；并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化和完善地面環(huán)境模擬的方法和手段，從而能夠更好地指導(dǎo)材料的選型和空間應(yīng)用。

本文主要介紹對(duì)一種新型反向生長(zhǎng)工藝四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池（IMM四結(jié)電池）開展在軌應(yīng)用驗(yàn)證的工作。此項(xiàng)工作屬國(guó)內(nèi)首次，以期通過(guò)驗(yàn)證IMM四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)和在軌性能，證實(shí)四結(jié)太陽(yáng)電池的效率優(yōu)勢(shì)，積極推進(jìn)其后續(xù)在軌工程應(yīng)用。

1 高效四結(jié)疊層電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文介紹并開展在軌實(shí)際環(huán)境飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的高效四結(jié)疊層太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和物理模型[4-5]如圖1所示。IMM四結(jié)太陽(yáng)電池由4個(gè)P-N結(jié)串聯(lián)而成，這4個(gè)結(jié)所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度分別為1.9、1.4、1.0、0.7 eV。采用這幾種能量帶隙材料的太陽(yáng)電池能較充分地將太陽(yáng)光中350～1800 nm波長(zhǎng)范圍的光譜能量轉(zhuǎn)化為電能[6]。

由于材料特性的變化改善了4個(gè)子電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收與太陽(yáng)光譜匹配，四結(jié)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率均能達(dá)到34%[5]以上，相較于三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池有較大提升。圖2所示為本文介紹的四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)。

圖2 四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the quadruple-junction array structure

為了獲得高效率的太陽(yáng)電池，必須采用高電導(dǎo)率、高隧穿電流的隧穿結(jié)，因此需要增大隧穿結(jié)的摻雜濃度，并且解決由于高摻雜所帶來(lái)的一系列工藝問(wèn)題[7]。在倒裝高摻雜的情況下，摻雜劑擴(kuò)散問(wèn)題較突出，因此需根據(jù)太陽(yáng)電池的實(shí)際情況選用合適的隧穿結(jié)，從隧穿結(jié)摻雜、厚度和材料等方面對(duì)電池性能的影響進(jìn)行綜合分析，用MOCVD設(shè)備進(jìn)行倒裝多結(jié)III-V族半導(dǎo)體化合物太陽(yáng)電池隧穿結(jié)的外延優(yōu)化。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

禁帶寬度為1.9、1.4、1.0、0.7 eV的4種半導(dǎo)體材料，其晶格常數(shù)有所差異，因此生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)采用反向生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)完成后，在器件工藝中需要采用鍵合、剝離等工藝將外延結(jié)構(gòu)倒置，才能實(shí)現(xiàn)四結(jié)太陽(yáng)電池的功能。其鍵合、剝離過(guò)程如圖3所示[8]。

圖3 四結(jié)太陽(yáng)電池鍵合、剝離過(guò)程示意Fig.3 Schematic diagram of the bonding and stripping process of the quadruple-junction array

與現(xiàn)有的空間用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池相比，四結(jié)太陽(yáng)電池采用了晶格失配材料（1.0 eV InGaAs和0.7 eV InGaAs），工藝實(shí)現(xiàn)上采用了如圖4所示的晶格失配反向外延生長(zhǎng)、鍵合、剝離等新工藝[9]。與正向生長(zhǎng)砷化鎵太陽(yáng)電池相比，IMM四結(jié)太陽(yáng)電池由于采用了光譜匹配設(shè)計(jì)，地面模擬光譜（AM0）條件下光電轉(zhuǎn)換效率獲得了10%左右的提升，但存在襯底剝離復(fù)用、鍵合工藝復(fù)雜、工序增加等成本因素[10]。

圖4 反向生長(zhǎng)四結(jié)太陽(yáng)電池工藝流程Fig.4 Flow chart of the process of IMM quadruple-junction array

2 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)試系統(tǒng)

本文所介紹的IMM四結(jié)砷化鎵電池在軌環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，電池的布片方案如表1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由1個(gè)新型太陽(yáng)電池試驗(yàn)件（含多個(gè)太陽(yáng)電池單片）和1臺(tái)太陽(yáng)電池?cái)?shù)據(jù)采集器組成。太陽(yáng)電池?cái)?shù)據(jù)采集器在不同軌道光照條件下，對(duì)新型太陽(yáng)電池進(jìn)行電性能測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，以完成在軌電性能標(biāo)定和實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)。

圖5 在軌試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Physical diagram of the in-orbit test system

IMM四結(jié)砷化鎵電池在軌環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖6所示，系統(tǒng)測(cè)試電路由2組具有完整四結(jié)結(jié)構(gòu)的整電池和4組單結(jié)子電池組成，另有1個(gè)太陽(yáng)入射角監(jiān)測(cè)電路。其中，電路1為電壓采樣，直接測(cè)量電池開路電壓；電路2～電路6均為電流采樣，通過(guò)接入1個(gè)采樣電阻，測(cè)量電阻兩端電壓，以確定電池的輸出電流；電路7為參考電路，由16片Si太陽(yáng)電池組成，用于對(duì)比太陽(yáng)入射角變化、電池輻照衰降等對(duì)電池性能的影響，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的依據(jù)。

圖6 高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意Fig.6 Schematic diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array test system

圖7所示為高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池搭載試驗(yàn)測(cè)試電路框圖，其中所有的遙測(cè)參數(shù)都由太陽(yáng)電池試驗(yàn)件模塊產(chǎn)生，所有的遙測(cè)信號(hào)都通過(guò)導(dǎo)線輸送到太陽(yáng)電池?cái)?shù)據(jù)采集器內(nèi)，由采集器對(duì)各遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，統(tǒng)一變換成0～5 V電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。

圖7 高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試電路Fig.7 Circuit diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array

系統(tǒng)需要采集的太陽(yáng)電池片關(guān)鍵電性能參數(shù)主要包括短路電流、開路電壓、工作電壓及太陽(yáng)電池的溫度。參數(shù)的獲取方法如下：

1）短路電流：通過(guò)太陽(yáng)電池片外接1個(gè)0.1 Ω的功率電阻來(lái)測(cè)量并近似推算獲得；

2）開路電壓：通過(guò)太陽(yáng)電池片外接1個(gè)10 kΩ的功率電阻來(lái)測(cè)量并近似推算獲得；

3）工作電壓：通過(guò)太陽(yáng)電池片外接1個(gè)10 Ω的功率電阻來(lái)測(cè)量并近似推算獲得；

4）電池溫度：通過(guò)在太陽(yáng)電池片的背面粘貼熱敏電阻的方法來(lái)獲得，熱敏電阻兩端的溫度電壓信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線引入星內(nèi)的太陽(yáng)電池?cái)?shù)據(jù)采集器。

3 入軌試驗(yàn)前的地面測(cè)試

在入軌前的地面測(cè)試階段，對(duì)IMM四結(jié)砷化鎵電池進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)。在電池裝星后，力學(xué)試驗(yàn)前后均利用地面模擬光源進(jìn)行了光照試驗(yàn)。結(jié)果表明，力學(xué)試驗(yàn)前后各電路遙測(cè)通路均正常，數(shù)據(jù)一致性較好。且力學(xué)試驗(yàn)后，試件狀態(tài)無(wú)變化，產(chǎn)品通過(guò)了力學(xué)試驗(yàn)的考核。

在IMM四結(jié)砷化鎵電池片粘貼在基板上后，采樣電阻焊接前，測(cè)試了各電路的I-V曲線，獲得了如表2所示的典型參數(shù)。采樣電阻焊接后，采用太陽(yáng)模擬器LAPSS II為組件提供光源，在AM0、25 ℃、1353 W/m2測(cè)試條件下，使用尼高力數(shù)據(jù)采集器測(cè)量各電路對(duì)應(yīng)電阻兩端的電壓值，電壓測(cè)量值與理論計(jì)算值間的相對(duì)偏差＜4%，一致性良好。電池片布片、測(cè)試系統(tǒng)電路、采樣間隔均與在軌試驗(yàn)設(shè)置相同。

表2 太陽(yáng)電池片地面測(cè)試電路電性能參數(shù)Table 2 Electrical performance parameters of solar cell in ground test

4 在軌試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

在軌試驗(yàn)期間，高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件所在的位置在受到太陽(yáng)光照射的時(shí)段內(nèi)，入射角度為變化值（見圖8），測(cè)得整電池電流的輸出如圖9所示。其中圖9的橫坐標(biāo)是高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件在太陽(yáng)光1個(gè)照射周期內(nèi)的累計(jì)光照時(shí)長(zhǎng)。

圖8 IMM四結(jié)砷化鎵電池1天內(nèi)太陽(yáng)入射角度變化Fig.8 Solar incident angle with respect to the IMM quadruple-junction array in a day

圖9 IMM四結(jié)砷化鎵電池1天內(nèi)整電池電流變化趨勢(shì)Fig.9 Current variation of IMM quadruple-junction array in a day

為確保測(cè)試精度，避免入射角度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，選擇太陽(yáng)入射角在±30°范圍內(nèi)的在軌測(cè)試數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。為減小溫度測(cè)試誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，用于在軌遙測(cè)結(jié)果分析的數(shù)據(jù)需在溫度一致性較好的時(shí)間段內(nèi)選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，來(lái)計(jì)算高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的在軌性能。本文提供了IMM四結(jié)砷化鎵電池在2016年11月29日—2016年12月2日期間每天獲取的電池遙測(cè)電壓、電池溫度、太陽(yáng)入射角等有效數(shù)據(jù)，參見表3。

表3 四結(jié)砷化鎵電池在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Telemetric data of IMM quadruple-junction array

4.2 在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為獲得高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的在軌輸出電壓和輸出電流，在本試驗(yàn)系統(tǒng)上還搭載了電壓、電流遙測(cè)2種測(cè)試電路。在軌數(shù)據(jù)處理方法如下：

電壓數(shù)據(jù)計(jì)算公式為

其中：V25 ℃為單體太陽(yáng)電池在25 ℃溫度下的開路電壓；VPC-1為完整四結(jié)結(jié)構(gòu)的整電池開路電壓采樣值；β為電壓溫度系數(shù)；T為太陽(yáng)電池在軌實(shí)測(cè)溫度，℃。

電流數(shù)據(jù)計(jì)算公式為

式中：I25 ℃為單體太陽(yáng)電池在25 ℃溫度下的短路電流；VPC-2為電路2電壓遙測(cè)結(jié)果；α為電流溫度系數(shù)；θ為太陽(yáng)入射光相對(duì)太陽(yáng)電池板的入射角。θ可以根據(jù)太陽(yáng)入射角監(jiān)測(cè)電路的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算獲得，

其余各子電池的電流數(shù)據(jù)可按照式(2)計(jì)算獲得。

4.3 在軌測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)表1和表3中的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)和電池溫度系數(shù)，利用式(1)～(3)即可計(jì)算出高效四結(jié)砷化鎵電池在25 ℃時(shí)的開路電壓、短路電流及各子電池電流，再對(duì)太陽(yáng)電池片在軌光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計(jì)算獲得其在軌性能數(shù)據(jù)，并與地面實(shí)測(cè)結(jié)果（參表2）進(jìn)行對(duì)比，分析其差異性，結(jié)果詳見表4。

表4 四結(jié)砷化鎵電池在軌與地面電性能數(shù)據(jù)比對(duì)Table 4 Comparison of in-orbit and ground electrical performances of IMM quadruple-junction array

在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：IMM四結(jié)砷化鎵電池的在軌光電轉(zhuǎn)換效率為34.44%～34.79%，滿足不小于34%的技術(shù)指標(biāo)要求；電池開路電壓3.321 V、短路電流密度15.76 mA/cm2，滿足技術(shù)指標(biāo)要求；利用硅電池參數(shù)和式(1)～式(3)計(jì)算出的太陽(yáng)入射角度與整星姿態(tài)推算出的角度相吻合，太陽(yáng)入射角范圍在21.801°～22.495°之間，滿足太陽(yáng)入射角在±30°范圍內(nèi)的要求。各參數(shù)遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)一致性較好，在軌標(biāo)定總誤差最大為1.45%（電壓遙測(cè)誤差+溫度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差+對(duì)日定向最大誤差+線路壓降誤差），滿足小于2%的指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了空間用高效四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的物理模型與結(jié)構(gòu)，對(duì)其設(shè)計(jì)方法、工藝流程，以及在軌真實(shí)環(huán)境下的驗(yàn)證方案與測(cè)試電路設(shè)計(jì)、遙測(cè)數(shù)據(jù)分析處理方法也都給予了較為全面的分析。在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理結(jié)果表明，高效四結(jié)太陽(yáng)電池開路電壓3.321 V、短路電流密度15.76 mA/cm2，與地面測(cè)試數(shù)據(jù)一致性較好。電壓、電流、溫度系數(shù)等參數(shù)的在軌測(cè)試誤差均小于2%，在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果顯示，電壓遙測(cè)結(jié)果最大誤差不大于0.70%，電流遙測(cè)結(jié)果最大誤差不大于1.18%，電池實(shí)際在軌效率在34.44%～34.79%之間，顯著高于當(dāng)前空間用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池（4 cm2規(guī)格）30.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。

國(guó)內(nèi)首次開展的此項(xiàng)試驗(yàn)工作獲得了高效四結(jié)太陽(yáng)電池的在軌數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值，突破對(duì)太陽(yáng)電池僅能在地面進(jìn)行電性能標(biāo)定和估算太陽(yáng)電池壽命末期功率輸出指標(biāo)的局限性，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)缺乏在軌太陽(yáng)電池電性能測(cè)試數(shù)據(jù)資料的空白，為高效率的空間砷化鎵太陽(yáng)電池改進(jìn)以及地面測(cè)試設(shè)備標(biāo)定提供了數(shù)據(jù)支持。目前，該IMM四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化并應(yīng)用于多個(gè)航天器。后續(xù)將進(jìn)一步積累在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比光譜響應(yīng)獲得一定劑量輻照后不同子電池的衰減情況，對(duì)其輻照效應(yīng)、空間粒子等環(huán)境進(jìn)行綜合研究，準(zhǔn)確表達(dá)IMM四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的空間環(huán)境損傷效應(yīng)，并驗(yàn)證太陽(yáng)電池長(zhǎng)期在軌輸出穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命性。