砷化鎵太陽(yáng)電池表面高透光率吸波材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究

徐建明，周羅增，張夢(mèng)炎，唐道遠(yuǎn)，蔣 帥

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

衛(wèi)星的低可探測(cè)能力對(duì)其安全有重要意義，為此需開展衛(wèi)星隱身技術(shù)研究。而太陽(yáng)電池陣展開面積大，增加了被雷達(dá)偵察到的概率，為隱身起見一般會(huì)在太陽(yáng)電池陣表面覆一層吸波材料，同時(shí)為保證電池陣的發(fā)電效能，要求其表面的吸波材料不能影響電池片的透光性能[1-2]。

傳統(tǒng)的透明吸波材料主要是指金屬氧化物透明薄膜。金屬元素In、Sn等氧化物形態(tài)薄膜的禁帶寬度＞3.1 eV，目前技術(shù)成熟的薄膜是摻錫氧化銦（ITO）。ITO的電阻率為10-2Ω·m，是一種寬能帶薄膜材料，其帶隙為3.5～4.3 eV，在可見光區(qū)的透光率大于80%，但在紫外光區(qū)和近紅外區(qū)的透光率比較低。而空間用GaInP2/GaAs/Ge太陽(yáng)電池的響應(yīng)光譜為350～1800 nm，因此選用ITO薄膜作為太陽(yáng)電池陣的吸波材料，將會(huì)極大影響底電池Ge的光譜吸收，導(dǎo)致底電池電流下降嚴(yán)重，可見ITO吸波材料不適用于太陽(yáng)電池陣隱身[3-6]。

2004年，吳狀春[7]報(bào)道了抽濾法制備碳納米管透明導(dǎo)電薄膜（CNT-TCFs），該薄膜在導(dǎo)電性、透光性和柔性方面都呈現(xiàn)良好的特性，成為ITO薄膜最具前景的替代品[7-8]。碳納米管薄膜是一維納米碳晶體材料，具有極優(yōu)的機(jī)械性能，彈性模量1～2 TPa、抗拉強(qiáng)度 13～53 GPa，同時(shí)具有極佳的導(dǎo)電性能，除在可見光光譜內(nèi)透光率與ITO薄膜相當(dāng)外，在紅外波段透光率也很好。因此，本文擬選用碳納米管薄膜作為高效太陽(yáng)電池的吸波材料。單純使用碳納米管薄膜很難制備寬頻吸波材料，故本文采用人工亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)材料吸波性能的定制?；谌斯啿ㄩL(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透明吸波體的相關(guān)研究報(bào)道較多，如：Bhattacharya等設(shè)計(jì)的厚度為5 mm的光學(xué)透明和微波吸收材料，在0.9～1 GHz頻率范圍內(nèi)反射率＜-10 dB、透光率＞75%[9]；Forouzmand等采用蝴蝶結(jié)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度為5 mm的光學(xué)透明和微波吸收超材料，在5.8～12 GHz頻率范圍內(nèi)反射率＜-10 dB、透光率＞62%[10]。但是，這些兼顧光學(xué)透明和微波吸收材料的吸收寬度較窄且透光率較低。因此，本文基于碳納米管材料在可見光和近紅外區(qū)的良好透光性，依據(jù)單層吸波材料設(shè)計(jì)理論和多層介質(zhì)阻抗匹配設(shè)計(jì)理論，在砷化鎵太陽(yáng)電池表面建立亞波長(zhǎng)吸波結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整其亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)及碳納米管薄膜材料的費(fèi)米能級(jí)等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)主要針對(duì)X波段的多帶與寬帶的吸波性能[11-13]。

1 吸波材料設(shè)計(jì)理論

根據(jù)電磁波傳輸線理論，當(dāng)電磁波在傳輸過(guò)程中遇到邊界時(shí)，一部分能量被邊界反射，另一部分穿過(guò)邊界。反射率R直接表征吸波材料電磁波吸收性能的優(yōu)劣，并反映出吸波材料的吸波效果隨頻率的變化，

其中：ηn為第n層材料的特性阻抗，；kn為第n層材料的傳播常數(shù)，；d為第n層

n材料的厚度。

根據(jù)傳輸線理論，通過(guò)調(diào)節(jié)多層材料的ε、μ、η、k、d可達(dá)到，實(shí)現(xiàn)較低反射率。因此，針對(duì)砷化鎵太陽(yáng)電池吸波需求，設(shè)計(jì)合適的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，使碳納米材料各特性參數(shù)達(dá)到較好的匹配組合，可實(shí)現(xiàn)材料吸波性能優(yōu)化。

2 砷化鎵太陽(yáng)電池表面單層十字亞波長(zhǎng)吸波體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

砷化鎵太陽(yáng)電池表面吸波材料結(jié)構(gòu)采用碳納米管十字微結(jié)構(gòu)，附在疊層太陽(yáng)電池玻璃蓋片的表面，結(jié)構(gòu)自上而下依次為玻璃蓋片、蓋片膠、銀正電極、電池層、銀背電極，如圖1所示。通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米管十字微結(jié)構(gòu)單元的有效介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率μ，可使電磁波在該材料的入射表面處波阻抗

圖1 太陽(yáng)電池表面單層吸波體結(jié)構(gòu)單元Fig. 1 Solar cell absorber structure element

圖1中：d0為十字微結(jié)構(gòu)厚度；d1為玻璃蓋片厚度；d2為蓋片膠厚度；d3為正電極厚度；d4為Ge電池厚度；d5為背電極厚度；P為砷化鎵太陽(yáng)電池玻璃蓋片表面碳納米管亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元尺寸；L為碳納米管十字微結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)；W為碳納米管十字微結(jié)構(gòu)臂寬。結(jié)構(gòu)單元的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)如表1和表2所示，EF為碳納米管材料的費(fèi)米能級(jí)。

表1 單層亞波長(zhǎng)吸波結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 One layer subwavelength absorbent structure parameters

表2 單層亞波長(zhǎng)吸波結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 One-layer subwavelength absorbent structural material parameters

利用 CST Microwave Studio 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，假設(shè)雷達(dá)電磁波垂直入射太陽(yáng)電池表面，按照表1和表2所述碳納米管十字微結(jié)構(gòu)參數(shù)，可針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)砷化鎵太陽(yáng)電池吸波性能的影響進(jìn)行分析。

圖2 不同費(fèi)米能級(jí)下碳納米管材料介電常數(shù)隨頻率變化曲線Fig. 2 Dielectric constant variation with frequency at different Fermi levels

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)和費(fèi)米能級(jí)對(duì)單層碳納米管十字微結(jié)構(gòu)吸波性能的影響分析

3.1 尺寸 P 變化的影響

設(shè)定碳納米管十字微結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，結(jié)構(gòu)單元尺寸P分別取8、9、10 mm時(shí)，碳納米管吸波材料的反射率變化情況如圖3所示。

圖3 吸波材料的反射率隨單元結(jié)構(gòu)尺寸P的變化Fig. 3 Effect of structural unit size P on the absorbing properties of microwave absorbing material

由圖3可見：諧振頻率會(huì)隨P的增大向高頻遷移，當(dāng)P=8 mm時(shí)，諧振頻率在 9 GHz附近，反射率峰值為-7.8 dB；當(dāng)P=9 mm 時(shí)，諧振頻率在 10 GHz附近，反射率峰值為-7.6 dB；當(dāng)P=10 mm時(shí)，諧振頻率在11 GHz附近，反射率峰值為-7.8 dB。

3.2 臂長(zhǎng) L 變化的影響

設(shè)定碳納米管十字微結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，P為 8 mm，臂長(zhǎng)L分別取 5、6、7 mm時(shí)，碳納米管吸波材料的反射率變化情況如圖4所示。

圖4 吸波材料的反射率隨十字微結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)L的變化Fig. 4 Effect of cross arm length L on the absorbing properties of microwave absorbing material

由圖4可見：諧振頻率會(huì)隨L的增大向低頻遷移，當(dāng)L=5 mm 時(shí)，諧振頻率在 9.2 GHz 處，反射率峰值為-8 dB；當(dāng)L=6 mm 時(shí)，諧振頻率在 8.5 GHz處，反射率峰值為-7.8 dB；當(dāng)L=7 mm 時(shí)，諧振頻率在 8.0 GHz 處，反射率峰值為-7.7 dB。

3.3 臂寬 W 變化的影響

設(shè)定碳納米管十字微結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，P為 8 mm，L為 5 mm，臂寬W分別取 2、3、4 mm時(shí)，碳納米管吸波材料的反射率變化情況如圖5所示。

由圖5可見：諧振頻率會(huì)隨W的增大向低頻遷移，且峰值逐漸減小，當(dāng)W=2 mm時(shí)，諧振頻率在 9.8 GHz 處，反射率峰值為-9 dB；當(dāng)W=3 mm時(shí)，諧振頻率在 9.0 GHz處，反射率峰值為-8 dB；當(dāng)W=4 mm 時(shí)，諧振頻率在 8.6 GHz處，反射率峰值為-7.2 dB。

圖5 十字臂寬W改變對(duì)吸波材料吸波性能的影響Fig. 5 Effect of cross arm width W on absorbing properties of microwave absorbing material

3.4 碳納米管材料費(fèi)米能級(jí) EF 的影響

圖6給出了在選定結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表1）下單層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的吸收性能變化情況。當(dāng)費(fèi)米能級(jí)從0.3 eV逐漸增加到 0.5 eV時(shí)，材料的吸收峰從9.2 GHz處逐漸移動(dòng)到 10.2 GHz 處。

圖6 不同費(fèi)米能下的吸收曲線Fig. 6 Absorption curves for different Fermi levels

3.5 小結(jié)

綜上可以得出，以碳納米管人工亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)高效吸收為基礎(chǔ)，利用十字微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透明吸波材料，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在一定頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)吸波材料的吸收峰。

4 雙層十字亞波長(zhǎng)吸波體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析

利用第3章所述設(shè)計(jì)方法將碳納米管設(shè)計(jì)成單層十字微結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收，但是吸收寬度較窄，效果不明顯。因此，下文采用多層復(fù)合亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)雙波段或多波段吸收電磁波，以拓展吸收帶寬。圖7所示為在玻璃蓋片上下表面均設(shè)計(jì)十字微結(jié)構(gòu)單元的雙層吸波體。

圖7 雙層吸波體結(jié)構(gòu)單元Fig. 7 Double-layer absorber structure element

4.1 正入射下結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用CST Microwave Studio軟件對(duì)該雙層碳納米管亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料的電磁吸收特性進(jìn)行仿真計(jì)算，電磁波正入射，運(yùn)用遺傳算法得到優(yōu)化吸波體在X頻段內(nèi)的反射率小于-10 dB，吸收峰位于9.0 GHz處。表3給出了優(yōu)化后的吸波體的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，圖8是優(yōu)化后的雙層吸波材料反射率曲線。

表3 優(yōu)化后的雙層亞波長(zhǎng)吸波結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Optimized parameters of double-layer subwavelength absorbing structure

圖8 優(yōu)化后的雙層亞波長(zhǎng)吸波結(jié)構(gòu)材料反射率曲線（垂直入射）Fig. 8 Reflectivity curve for optimized double-layer subwavelength absorbing structural materials

由圖8可以看出，優(yōu)化后的雙層碳納米管亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料的-10 dB 帶寬為 8.2～10.3 GHz，相對(duì)帶寬23%，可有效提升太陽(yáng)電池的吸波性能。

4.2 電磁波入射角對(duì)反射率的影響

以上仿真分析均假設(shè)電磁波垂直入射砷化鎵太陽(yáng)電池表面，而在實(shí)際情況中電磁波入射方向具有一定的隨機(jī)性。因此，改變電磁波入射方向，設(shè)定入射角分別為15°、30°和60°，計(jì)算得到不同入射角下的反射率曲線如圖9所示。

圖9 不同入射角下的反射率曲線Fig. 9 Effect of incident angle on the reflectivity

由圖9可見：隨著入射角的增大，材料吸波性能逐漸衰退，當(dāng)入射角為15°時(shí)，-10 dB帶寬為8.36～10.00 GHz，相對(duì)帶寬為 18.2%；當(dāng)入射角為 30°時(shí)，-10 dB 帶寬為 8.48～9.52 GHz，相對(duì)帶寬為 11.55%；當(dāng)入射角為 60°時(shí)，-10 dB 帶寬為 8.67～9.32 GHz，相對(duì)帶寬為7.2%。

4.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的透光率分析

在砷化鎵太陽(yáng)電池玻璃蓋片正反面構(gòu)建雙層碳納米管亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料，其透光率如圖10所示，在350～1000 nm波長(zhǎng)區(qū)間透光率≥85%，相對(duì)于玻璃蓋片沒有添加吸波結(jié)構(gòu)之前透光率下降約5%，該波段對(duì)應(yīng)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的頂電池GaInP和中電池GaAs，對(duì)這兩個(gè)子電池的性能輸出影響不大。當(dāng)波長(zhǎng)大于1000 nm之后材料透光率下降，會(huì)影響三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的底電池Ge的光譜吸收，但因底電池對(duì)應(yīng)的吸收光譜較寬，電流密度較大（見表4），且三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池3個(gè)子電池之間相互串聯(lián)，故對(duì)電池的整體性能輸出影響不大。

圖10 雙層碳納米管亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料透光率曲線Fig. 10 Transmittance curve of double-layer nanotube subwavelength structural materials

表4 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池性能Table 4 Performance of triple-junction GaAs solar cell

5 結(jié)束語(yǔ)

本文為兼顧砷化鎵太陽(yáng)電池的透光性和吸波性能要求，選用碳納米管作為砷化鎵太陽(yáng)電池的吸波材料，并選用碳納米管十字微結(jié)構(gòu)作為吸收單元，研究單元結(jié)構(gòu)尺寸P、臂長(zhǎng)L、臂寬W和費(fèi)米能級(jí)EF對(duì)材料吸波性能的影響，并通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)X頻段雷達(dá)波的最優(yōu)吸收。結(jié)果表明：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)吸波寬度較窄，采用雙層碳納米管十字微結(jié)構(gòu)分別附在電池玻璃蓋片上下表面的結(jié)構(gòu)形式，可有效拓寬電磁波的吸收帶寬，為空間太陽(yáng)電池陣隱身提供一定的技術(shù)支撐。

本文僅對(duì)碳納米管材料對(duì)X頻段雷達(dá)波吸波性能進(jìn)行研究，而雷達(dá)波的頻率一般為1～27 GHz（從L波段到Ka波段），因此，要真正實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣的低可探測(cè)能力，還需要面向全波段提高材料的吸收特性，并考慮吸波材料紅外發(fā)射率對(duì)太陽(yáng)電池工作溫度（繼而對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率）的影響，才更具實(shí)際意義和應(yīng)用前景。這些可作為后續(xù)的研究方向。