LEO衛(wèi)星太陽電池電路原子氧效應分析及試驗研究

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

原子氧(Atomic Oxygen，AO)是太陽中紫外線與氧分子相互作用并使氧分子分解形成的，溫度一般為1000～1500 K。原子氧環(huán)境是低地球軌道(LEO)最危險的環(huán)境因素之一。在太空200～1000 km的軌道高度內(nèi)，原子氧是太空氣體含量最多的成分，約占80%，特別是在200～500 km高度范圍內(nèi)，原子氧占有絕對優(yōu)勢[1-2]。原子氧會侵蝕暴露在太空環(huán)境中的太陽電池電路，從而影響其電性能。

原子氧環(huán)境對設計壽命2～3年的LEO衛(wèi)星的太陽電池電性能影響較小。隨著衛(wèi)星設計壽命的提高(8～10年)，原子氧環(huán)境對太陽電池電路的影響變得顯著。太陽電池電路所用材料遭受原子氧的侵蝕，導致太陽電池組件的電性能退化，壽命越長，太陽電池組件遭受累積原子氧侵蝕越嚴重，甚至影響電源供給，因此有必要對原子氧的影響進行研究。

太陽電池電路組件之間的電連接(即互聯(lián)片材料)是影響太陽電池電路壽命的重要因素之一。國內(nèi)的電連接以銀互聯(lián)片為主，其與原子氧相互作用形成氧化銀，氧化銀層脫落后新的銀表面露出，會再次被原子氧侵蝕，破壞銀互聯(lián)片而使其失去導電能力[3]。目前，國外已采用可伐(kovar)互聯(lián)片，但是對其抗原子氧性能的相關試驗未見報道。為了確保國內(nèi)衛(wèi)星太陽電池電路滿足長壽命要求，亟待開展太陽電池電路互聯(lián)片抗原子氧性能研究，獲得累積原子氧通量對互聯(lián)片性能的影響結(jié)果，為長壽命太陽電池電路設計提供依據(jù)。

本文首先分析了原子氧環(huán)境對太陽電池電路的損傷效應，在此基礎上得到太陽電池電路材料中對原子氧敏感的組件。然后，以對原子氧環(huán)境敏感的太陽電池電路互聯(lián)片(包括銀互聯(lián)片及可伐互聯(lián)片)為研究對象，開展原子氧影響試驗研究。最后，提出了LEO衛(wèi)星長壽命太陽電池電路的設計建議，擬解決國內(nèi)LEO衛(wèi)星太陽電池電路因受原子氧影響而不能滿足長壽命需求的問題。

1 原子氧環(huán)境對太陽電池電路的損傷分析

波長小于240 nm 的太陽紫外線，對空間殘余氧分子的光致解離造成原子氧環(huán)境的產(chǎn)生。在LEO環(huán)境中，主要環(huán)境組分為原子氧和氮氣，其中原子氧含量約為80%，氮氣約為20%。原子氧具有高化學活性，其氧化作用遠大于氧分子。當衛(wèi)星以7～8 km/s的速度在LEO運行時，原子氧束流以1×1012～1×1015atoms/(cm2·s)的通量和4.5～5.0 eV的動能與衛(wèi)星表面碰撞[4]，其作用相當于4.8×104K的高溫。原子氧與衛(wèi)星表面作用時，造成表面材料的剝蝕和材料性能的退化，從而影響衛(wèi)星的正常運行和使用壽命[5]。其中，太陽電池電路因處在衛(wèi)星表面，最易受到原子氧的侵蝕。因此，太陽電池電路材料的抗原子氧性能，直接關系到太陽電池電路乃至衛(wèi)星的壽命。

太陽電池電路主要由太陽電池組件、電纜、二極管板和硅橡膠等組成。太陽電池組件(見圖1)是太陽電池電路的基本單元，主要由太陽電池、玻璃蓋片、蓋片膠、互聯(lián)片等組成，根據(jù)設計需求還可以組裝上旁路二極管。

圖1 太陽電池組件結(jié)構示意

目前，國內(nèi)常用的太陽電池電路中采用的材料主要包括：單體太陽電池、玻璃蓋片、銀互聯(lián)材料(互聯(lián)片、組件連接片、連接片等)、硅橡膠、導線(銅絲)、聚酰亞胺膜和導線絕緣層(聚四氟乙烯)等。以下對每種材料的抗原子氧性能進行說明。其中，原材料受原子氧影響是在4.7×1022atoms/cm2原子氧總通量(軌道高度400 km、8年壽命期內(nèi)累積的原子氧通量)下計算。

(1)單體太陽電池。由于單體太陽電池正面全覆蓋玻璃蓋片，因此原子氧不會直接接觸太陽電池，對其無影響。

(2)玻璃蓋片。玻璃蓋片粘貼在太陽電池表面，用于保護太陽電池，降低空間輻射環(huán)境對太陽電池的影響。通常采用的是石英玻璃，它與原子氧的反應率為0.01×10-24～0.1×10-24cm3/atom[6-7]。原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對玻璃蓋片最大的侵蝕厚度為0.047 mm，小于玻璃蓋片的厚度0.12 mm，因此原子氧對玻璃蓋片的影響較小。

(3)銀互聯(lián)材料。單體太陽電池串并聯(lián)、導線及二極管引線采用銀互聯(lián)材料。銀與原子氧的反應率為9.0×10-24～11.0×10-24cm3/atom[6-7]，原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對銀最大的侵蝕厚度為5.17 mm，遠遠大于目前銀互聯(lián)材料的厚度(0.017～0.050 mm)。

(4)硅橡膠。硅橡膠主要是蓋片膠、底片膠、各種粘結(jié)膠及固封膠。硅橡膠與原子氧的反應率較低，為0.01×10-24～0.10×10-24cm3/atom[6-7]，原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對硅橡膠最大的侵蝕厚度為0.047 mm，而且蓋片膠、底片膠、各種粘結(jié)膠均不直接暴露于太空中，固封膠厚度遠大于1 mm，因此原子氧對硅橡膠的影響較小。

(5)導線(銅絲)。太陽電池電路導線線芯為鍍銀銅絲，鍍銀層被侵蝕后，對導線的阻抗特性影響不大。銅與原子氧的反應率很低，為0.005×10-24～0.010×10-24cm3/atom，原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對銅最大的侵蝕厚度為0.004 7 mm，單根鍍銀銅絲直徑遠大于侵蝕厚度，因此原子氧對導線影響較小。

(6)聚酰亞胺膜。太陽電池電路上的聚酰亞胺膜主要用于粘貼銀連接片，聚酰亞胺與原子氧的反應率為3.0×10-24cm3/atom[6-7]，原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對聚酰亞胺膜最大的侵蝕厚度為1.41 mm，目前多采用厚度為0.10 mm的聚酰亞胺膜，因此需要對聚酰亞胺膜采取保護措施。

(7)導線絕緣層(聚四氟乙烯)。太陽電池電路上的導線絕緣層材料多采用聚四氟乙烯，它與原子氧的反應率為0.05×10-24～0.2×10-24cm3/atom[6-7]，原子氧總通量為4.7×1022atoms/cm2時，其對聚四氟乙烯最大侵蝕厚度為0.094 mm，單根導線絕緣層厚度大于侵蝕厚度，因此原子氧對導線絕緣層影響較小。

表1總結(jié)了原子氧環(huán)境對太陽電池電路材料的影響。可以看出：銀互聯(lián)材料和聚酰亞胺膜對原子氧環(huán)境較為敏感。目前，對聚酰亞胺膜的保護，采用多涂覆底片膠的方式[8-10]，防止原子氧侵蝕的涂層材料主要是氧化物(如SiO2和Al2O3，或者含有足夠量的Si或Al，可與原子氧作用形成SiO2膜或Al2O3膜)。采用涂層方式不改變基體材料，且具有良好的抗原子氧性能，沒有缺陷、氣孔，且揮發(fā)性低，長期暴露不易起化學反應，既輕又薄，方式較為簡便可行。因此，為了提高太陽電池電路抗原子氧性能，只需要重點開展互聯(lián)材料的保護研究。

表1 原子氧環(huán)境對太陽電池電路材料影響匯總

2 太陽電池電路互聯(lián)片原子氧試驗研究

2.1 試驗環(huán)境

太陽電池電路互聯(lián)片原子氧試驗設備，采用同軸源原子氧模擬裝置。試驗方法為：將互聯(lián)片樣品放置在真空罐內(nèi)的樣品臺上，裝置抽真空，通過閥門向設備輸入氧氣，氧氣經(jīng)微波激發(fā)形成高密度氧等離子體，在磁場和負偏壓的作用下，氧離子以一定能量入射到中性化板上，經(jīng)中性化板反射后保持入射前的能量，形成具有一定方向和密度的原子氧束流撞擊樣品表面。

2.2 試驗樣品

國內(nèi)傳統(tǒng)的銀互聯(lián)片因原子氧侵蝕效應無法滿足長壽命的要求。目前美國、德國等開始采用可伐材料作為互聯(lián)片材料。本文為了研究原子氧對互聯(lián)片材料的影響，分別采用可伐互聯(lián)片及銀互聯(lián)片，對其抗原子氧性能進行試驗研究。原子氧試驗互聯(lián)片樣品具體規(guī)格見表2，樣品照片如圖2所示。

表2 互聯(lián)片樣品規(guī)格

圖2 互聯(lián)片樣品Fig.2 Interconnect samples

2.3 原子氧通量

對于800 km以下的LEO衛(wèi)星，衛(wèi)星平臺表面功能材料會受到原子氧環(huán)境的影響，在400 km高度左右較為明顯。為此，本文采用軌道高度400 km的原子氧通量密度，計算8年壽命期內(nèi)在迎風面可能遭遇的最大原子氧總通量，考慮余量，最終選擇4.70×1022atoms/cm2。為了確定不同原子氧總通量對互聯(lián)片材料的影響結(jié)果，采用13組原子氧通量參數(shù)。原子氧試驗參數(shù)見表3。

表3 原子氧試驗參數(shù)

2.4 試驗結(jié)果及分析

試驗過程中樣品的質(zhì)量見表4。試驗后樣品照片見圖3。根據(jù)試驗結(jié)果，對試驗后可伐互聯(lián)片樣品質(zhì)量變化情況進行統(tǒng)計，見表5?？梢钥闯觯嚎煞セヂ?lián)片質(zhì)量變化小于4.2%。試驗過程質(zhì)量測試中存在一定的誤差，主要是由電子天平引起的，誤差約為0.000 01 g?？梢姡煞セヂ?lián)片耐原子氧性能良好，試驗過程中出現(xiàn)的質(zhì)量偏差均小于0.000 01 g，均在測試誤差范圍內(nèi)，質(zhì)量沒有損失。

表4 原子氧試驗中樣品質(zhì)量變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 試驗后互聯(lián)片樣品Fig.3 Interconnect samples after experiment

樣品編號試驗過程中質(zhì)量變化范圍/g質(zhì)量最大變化率/%A010.00471～0.00480<+2.0A020.00450～0.00469+4.2A030.00489～0.00507+3.7

根據(jù)銀氧化學反應，銀被氧化成蓬松氧化亞銀(Ag2O)。在原子氧環(huán)境下，氧化亞銀進一步被氧化，形成易脫落的氧化銀(AgO)。

4Ag+O2=2Ag2O

(1)

Ag2O+O2-=2AgO

(2)

50 μm銀互聯(lián)片樣品C01，C02，C03在試驗過程中的質(zhì)量變化如圖4所示，可見，質(zhì)量損失與原子氧總通量有直接關系。C01，C02，C03在試驗后的質(zhì)量損失分別為18.9%，20.1%，15.8%。

圖4 50 μm銀互聯(lián)片在試驗過程中質(zhì)量變化Fig.4 Quality changes of silver interconnects before and after experiment

將試驗后的銀互聯(lián)片樣品C01，C02，C03放入超聲清洗機中，將未剝落的Ag2O洗下后使用電子天平稱量，得到清洗后的質(zhì)量分別為0.035 g，0.034 g，0.036 g。根據(jù)質(zhì)量損失計算厚度損失，見表6。50 μm銀互聯(lián)片在總通量為4.7×1022atoms/cm2的原子氧試驗后，被侵蝕的厚度最大為18.9 μm。如圖5所示，計算銀互聯(lián)片的質(zhì)量比例：以C01數(shù)據(jù)為例計算，原樣品質(zhì)量m0為0.054 04 g(純Ag)，試驗后質(zhì)量mt為0.043 80 g(Ag與Ag2O)，清洗后質(zhì)量m′為0.035 g(純Ag)，則試驗后Ag2O的質(zhì)量為0.008 80 g，按化學反應式(1)可算得Ag2O中Ag的質(zhì)量為0.008 19 g，進一步得到剝落的AgO中Ag的質(zhì)量為0.054 04-0.035 00-0.008 10=0.010 85 g，可以看出，Ag在氧化過程中同時會形成Ag2O和AgO，且AgO與Ag2O中的Ag的質(zhì)量比約為1.3∶1。按此比例計算試驗過程中某一原子氧通量下的Ag含量。設某原子氧通量下Ag的剩余量為X，Ag2O中Ag的質(zhì)量為Y，可得式(3)和式(4)，從而計算出剩余的Ag質(zhì)量。

m0=X+Y+1.3Y=X+2.3Y

(3)

mt=X+464/(432Y)=X+1.074Y

(4)

所有侵蝕厚度值見表7。從表7可知：在原子氧通量為1×1021atoms/cm2之前，銀互聯(lián)片的侵蝕厚度幾乎沒有影響；在1×1022atoms/cm2時，銀互聯(lián)片的最大侵蝕厚度為6 μm；在1.7×1022～2.5×1022atoms/cm2時，銀互聯(lián)片的厚度損失超過了10 μm，超過了目前衛(wèi)星常用的20 μm銀互聯(lián)片厚度的1/2。綜合考慮原子氧試驗的結(jié)果對互聯(lián)片的厚度侵蝕情況，在原子氧總通量為1.7×1022atoms/cm2以下時，可以仍選擇銀互聯(lián)片作為連接介質(zhì)，不會因為原子氧侵蝕對銀互聯(lián)片產(chǎn)生危害；當原子氧總通量為2.5×1022atoms/cm2以上時，可以考慮采用可伐互聯(lián)片。銀互聯(lián)片在質(zhì)量測量中存在一定的誤差，主要是由電子天平引起的，誤差約為0.000 01 g。

表6 試驗后銀互聯(lián)片樣品質(zhì)量變化情況

圖5 銀互聯(lián)片質(zhì)量比例Fig.5 Weight ratio of silver interconnects

原子氧通量/(1020atoms·cm-2)侵蝕厚度/μmC01C02C030---1幾乎無幾乎無幾乎無5幾乎無幾乎無幾乎無10幾乎無幾乎無0.41264220幾乎無幾乎無0.815386501.8399160.3955671.761836652.6036541.1695025.205303703.6798311.7198575.9302431004.8080813.0441465.9705181505.3114545.2111657.0780661705.5023895.2971587.27943825015.65664010.78350011.62908030017.91314016.45903016.03913047017.77428018.88403017.468880

3 結(jié)論

本文分析了原子氧環(huán)境對LEO衛(wèi)星太陽電池電路損傷情況，對太陽電池電路互聯(lián)片開展了原子氧試驗研究。對于LEO衛(wèi)星，結(jié)合國內(nèi)目前太陽電池電路設計情況，可得到以下結(jié)論。

(1)剛性太陽電池電路原材料中，銀互聯(lián)材料和聚酰亞胺膜對原子氧環(huán)境較為敏感，累積原子氧通量對上述材料的侵蝕可能影響太陽電池電路設計壽命，需要選擇替代材料或者采取相應的防護措施，如涂敷膠。

(2)在原子氧總通量為1.7×1022atoms/cm2以下時，可以選擇銀互聯(lián)片作為連接介質(zhì)。試驗研究表明，在該原子氧通量下，銀互聯(lián)片不會因為原子氧侵蝕造成互聯(lián)片失效，從而影響太陽電池陣輸出功率的性能。

(3)當原子氧總通量在2.5×1022atoms/cm2以上時，銀互聯(lián)片侵蝕厚度達11 μm，目前我國常用的20 μm銀互聯(lián)片已不能承受該原子氧總通量下造成的影響。

根據(jù)上述結(jié)論，對工程應用建議如下。

(1)原子氧總通量超過2.5×1022atoms/cm2時，可以考慮選擇可伐互聯(lián)片作為衛(wèi)星太陽電池電路的互聯(lián)片。

(2)對于長壽命太陽電池電路設計，若采用可伐互聯(lián)片，還要開展對可伐材料力學性能、熱應力、剪應力、焊接工藝等指標的考核及研究，以滿足長壽命的需求。