空間環(huán)境太陽(yáng)電池陣的一次靜電放電的機(jī)理與防護(hù)

林 璠

（上海電機(jī)學(xué)院，中國(guó) 上海 201306）

空間并非空無(wú)一物， 空間中幾乎到處存在等離子體。 等離子體是完全電離或者部分電離的氣體， 所包含的正電荷和負(fù)電荷的數(shù)目完全相等。 空間等離子體的主要成分是質(zhì)子和電子，并含有少量其他正離子。

在空間等離子體環(huán)境中，電子和質(zhì)子的能量相當(dāng)，由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于質(zhì)子的質(zhì)量， 則電子的運(yùn)動(dòng)速度約為質(zhì)子的43 倍，這意味著相同時(shí)間內(nèi)入射到太陽(yáng)電池陣表面的電子通量遠(yuǎn)大于質(zhì)子通量， 因此， 電池陣表面就會(huì)累積負(fù)電荷。 電子與電池陣表面相互作用時(shí)，表面原子有可能吸收能量，釋放出外層電子，形成二次電子發(fā)射。 在光照條件下， 電池陣表面將會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)， 引起光電流。 二次電子發(fā)射和光電流會(huì)減弱電池陣表面的負(fù)電位。 在太陽(yáng)電池的表面， 一般使用玻璃蓋片對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行防護(hù)， 玻璃蓋片的二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，因此在充電過(guò)程中，玻璃蓋片俘獲的電子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于太陽(yáng)電池陣的其它材料。 這就使得玻璃蓋片和電池陣的其它材料之間形成反向電位梯度， 即玻璃蓋片電位大于其它材料電位。 由于蓋片表面沉積了MgF2 減反射層，在光照期間，光子在蓋片表面激發(fā)出更多的光電子， 使得玻璃蓋片的電位進(jìn)一步升高，從而誘發(fā)一次靜電放電。

一次靜電放電發(fā)生在太陽(yáng)電池陣的三交結(jié)區(qū)[1]，如圖1 中所示。 三交結(jié)區(qū)是指電池陣上絕緣體、 導(dǎo)體和等離子體三者交匯的區(qū)域。 一次靜電放電具體過(guò)程如下： 以互連片處為例， 因?yàn)椴Ａw片和互連片之間存在反向電位梯度， 在交結(jié)區(qū)的附近形成電場(chǎng)； 在電場(chǎng)的作用下， 使互連片表面放出電子。 電子轟擊蓋片側(cè)面使其發(fā)射電子（二次電子），引起交結(jié)區(qū)電場(chǎng)的升高。 與此同時(shí)， 被激活的二次電子使得玻璃蓋片側(cè)面吸附的中性氣體脫離蓋片形成薄薄的氣體層。 在電場(chǎng)作用下，氣體層電離，電離產(chǎn)生的正電荷流向互連片，負(fù)電荷流向玻璃蓋片，導(dǎo)致靜電放電，如圖2 所示。 一次靜電放電在放電地點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)高濃度的等離子體。等離子體中的電子移動(dòng)到蓋片表面與正電荷中和。 在移動(dòng)過(guò)程中與氣體分子碰撞激發(fā)出更多的電子和離子， 直至所有蓋片表面的正電荷都被中和， 靜電放電結(jié)束。

圖1 電池陣上的三交結(jié)區(qū)

一次靜電放電會(huì)造成太陽(yáng)電池的性能衰退[2]。 按照在電池陣上出現(xiàn)的不同位置， 一次靜電放電可以分為兩類： 一種是在互聯(lián)片和匯流條處的靜電放電，另一種是在電池邊緣的靜電放電。 其中電池邊緣的靜電放電會(huì)損傷電池使其輸出功率下降， 這是由于放電引起的焦耳熱會(huì)破壞電池的P-N 結(jié)（如圖3 中的類型2所示） 甚至使得P-N 結(jié)短路 （如圖3 中的類型1 所示）。 其中類型1 情況下的靜電放電對(duì)電池的破壞程度更為嚴(yán)重。

圖2 一次靜電放電過(guò)程示意圖

圖3 一次靜電放電對(duì)電池的損傷

圖4 脈沖電流和電壓波形

一次靜電放電會(huì)產(chǎn)生高電壓、 強(qiáng)電場(chǎng)、 瞬態(tài)大電流，脈沖電流的上升時(shí)間快、持續(xù)時(shí)間短，并伴隨有強(qiáng)電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖[3]，如圖4 所示。 電磁脈沖具有前沿陡、功率高、頻帶寬等特點(diǎn)，可以直接進(jìn)入電池陣的電子設(shè)備或者通過(guò)孔縫、 線纜等耦合作用進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的敏感電路上， 引起敏感電路的翻轉(zhuǎn)、損壞，不僅可以對(duì)電子設(shè)備造成嚴(yán)重干擾和損傷，而且還可能形成潛在性危害， 使電子設(shè)備的工作可靠性降低，嚴(yán)重影響電池陣及衛(wèi)星的在軌安全。

為了限制一次靜電放電的發(fā)生， 可以采取消除或控制太陽(yáng)電池陣表面電位的方法。 從原理上說(shuō)， 基本上可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類。

所謂主動(dòng)控制，是在航天器上裝設(shè)電位控制設(shè)備，其工作過(guò)程完全可控[4]，如圖5 所示。電位控制設(shè)備在航天器表面發(fā)射荷電粒子束可以控制表面充電的狀況。主動(dòng)控制比被動(dòng)控制更為靈活、有效和徹底。從理論上講， 它是通過(guò)發(fā)射一束人造的荷電粒子流， 使進(jìn)出航天器表面的各種電流總和等于零。 按通俗的說(shuō)法， 可以認(rèn)為控制裝置噴射出的荷電粒子束流相當(dāng)于給存在電位差的不同部分搭上一根 “含有一定電阻的導(dǎo)體”，使其電位差降為零，從而消除電荷的積累。

圖5 空間站上的電子源

從控制原理上說(shuō)， 只要能產(chǎn)生荷電粒子束的裝置都可用作表面電位控制設(shè)備， 可以分為電子源、 離子源和等離子體源三種。 主動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外許多衛(wèi)星和大型航天器上都有應(yīng)用。 但是主動(dòng)控制技術(shù)還沒(méi)有應(yīng)用于太陽(yáng)電池陣， 可能是受限于該技術(shù)的復(fù)雜性以及設(shè)備重量、體積、功耗等原因。

所謂被動(dòng)控制，是指通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、接地設(shè)計(jì)等方法， 對(duì)空間靜電放電進(jìn)行抑制， 將衛(wèi)星帶電危險(xiǎn)減至最小，包括：表面分區(qū)接地，降低電荷積累量； 盡量采用金屬表面或表面金屬化， 使沉積在表面的電荷通過(guò)接地導(dǎo)走； 涂敷特殊性能材料。 被動(dòng)防護(hù)方法在航天器定型之前就要有具體的實(shí)施方案， 否則當(dāng)航天器發(fā)射到空間后則不能再進(jìn)行改動(dòng)， 具有一定的局限，無(wú)法應(yīng)對(duì)各種惡劣的突發(fā)情況。

圖6 （a）ITO 膜蓋片結(jié)構(gòu)；（b）ITO 膜網(wǎng)絡(luò)接地；（c）Rosetta 航天器上太陽(yáng)電池陣表面ITO 網(wǎng)絡(luò)

目前主要采取的防護(hù)方式是通過(guò)建立靜電耗散通道， 將玻璃蓋片表面的電荷及時(shí)疏導(dǎo)， 避免建立能夠引起放電的電場(chǎng)分布[5]。 耗散通道的設(shè)計(jì)大致分為兩種， 其一為太陽(yáng)電池陣玻璃蓋片表面連通共同接地，玻璃蓋片表面的電荷通過(guò)互連結(jié)構(gòu)共同耗散到接地線路， 可以將太陽(yáng)電池陣玻璃蓋片電位全部控制在參考電位， 這通常采用玻璃蓋片表面蒸鍍ITO 導(dǎo)電膜并互相連接實(shí)現(xiàn)， 如圖6 所示。 電池片的表面覆蓋有一定阻抗的ITO 導(dǎo)電薄膜，當(dāng)單體太陽(yáng)電池組成太陽(yáng)陣后，每片玻璃蓋片上的ITO 膜通過(guò)焊接電極以串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)接， 之后再并聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)， 通過(guò)匯流條與太陽(yáng)翼鉸鏈相連， 最后通過(guò)太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)裝置接入航天器“結(jié)構(gòu)地”，以實(shí)現(xiàn)電荷泄放的目的。 通過(guò)蒸鍍ITO膜，使電池陣表面任意兩點(diǎn)之間電位差不超過(guò)±1V。美國(guó)和西歐國(guó)家發(fā)射的航天器中，例如美國(guó)的探險(xiǎn)者31號(hào)衛(wèi)星、GEOS 衛(wèi)星、 太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星和測(cè)地衛(wèi)星以及歐空局近期發(fā)射的Rosetta 衛(wèi)星等，都在太陽(yáng)電池陣表面使用了ITO 膜技術(shù)。圖6（c）為歐空局發(fā)射的Rosetta 衛(wèi)星用太陽(yáng)電池陣表面的ITO 網(wǎng)絡(luò)。 每片ITO 膜蓋片上的四個(gè)角都蒸鍍了電極， 用金屬片連接， 然后通過(guò)導(dǎo)線連接成網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計(jì)對(duì)于GEO 航天器太陽(yáng)電池陣的電位控制和靜電防護(hù)非常有效，但是對(duì)于LEO 太陽(yáng)電池陣的靜電放電防護(hù)作用非常有限， 這是因?yàn)長(zhǎng)EO環(huán)境中等離子體能量非常低、 密度非常大， 玻璃蓋片表面電位非常低，通常約為1～2V 非常接近參考電位，即使采用這種設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池陣三結(jié)合區(qū)域的電場(chǎng)仍然能夠形成，雪崩式的放電仍然具備產(chǎn)生條件。

圖7 通過(guò)互連片點(diǎn)膠連接玻璃蓋片上表面與太陽(yáng)電池的下電極

耗散通道的第二種設(shè)計(jì)形式為， 通過(guò)建立玻璃蓋片與電池電路的直接通道， 而無(wú)需建立玻璃蓋片之間的連接通道， 這種設(shè)計(jì)可以消除三交結(jié)區(qū)電場(chǎng)的形成，根本上避免發(fā)生一次放電，既能夠用于GEO 太陽(yáng)電池陣，也適用于LEO 太陽(yáng)電池陣[6]。 在太陽(yáng)電池串聯(lián)方向， 通過(guò)在互連片上點(diǎn)導(dǎo)電膠， 將玻璃蓋片上的靜電電荷通過(guò)互連片引入電池電路中， 實(shí)現(xiàn)單片電池的靜電防護(hù)作用（如圖7 所示）。 但是對(duì)于大面積太陽(yáng)電池陣， 采用點(diǎn)膠需要增加人工成本， 難以滿足快速制造需求。