低軌衛(wèi)星太陽電池陣靜電放電研究

聶 海，楊湛林，寇 韻，李 進(jìn)，肖 瑾

（上?？臻g電源研究所，上海 200233）

0 引 言

低軌衛(wèi)星的處于大量空間粒子軌道環(huán)境里，為一個(gè)等離子體空間，其高壓太陽電池電路將與等離子體作用而產(chǎn)生靜電放電（ESD）。太陽電池陣由于其電池片結(jié)合處的作用會(huì)產(chǎn)生靜電放電效應(yīng)，靜電放電會(huì)誘發(fā)高壓電池串間的二次電弧，造成太陽電池陣損傷。一次放電持續(xù)時(shí)間短，而且能量較低，因此對(duì)太陽電池電路及基板造成的損傷較少，而一次放電會(huì)進(jìn)一步引起二次放電，從而導(dǎo)致太陽電池陣電路及基板受損甚至失效。

太陽電池陣電路通過電池片的串接形成一定電壓，在串聯(lián)電壓超過一定值（70 V～80 V）時(shí)，有可能發(fā)生二次放電，持續(xù)放電可能導(dǎo)致太陽電池陣電路損失，最終影響電池陣的輸出功率。因此需對(duì)電池陣的開展靜電試驗(yàn)，依據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)電池陣設(shè)計(jì)，降低靜電發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。本文敘述了測試時(shí)的靜電放電試驗(yàn)情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 太陽電池陣靜電放電局部失效原因

太陽電池陣的導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和空間等離子體三者結(jié)合的區(qū)域是靜電放電敏感區(qū)域。由于在空間軌道環(huán)境中，空間粒子的轟擊以及太陽光照射產(chǎn)生的二次發(fā)射電子，太陽電池單片外面的玻璃蓋片表面將發(fā)射電子，使太陽電池單片外面的玻璃蓋片處于充電，形成一個(gè)正電勢，與此同時(shí)，太陽電池陣基板的電位變化不大。當(dāng)太陽電池單片外面的玻璃蓋片與太陽電池陣基板之間的電勢差超過一定范圍時(shí)，積累造成的電勢差將在電池片蓋片及電池陣基板之間的放電通道發(fā)生放電，使得電荷中和。在真空環(huán)境下，金屬與非導(dǎo)體介質(zhì)結(jié)合部會(huì)引起弧光放電，導(dǎo)致ESD事件發(fā)生，放電時(shí)間較小，為微秒級(jí)，可能對(duì)太陽電池單體造成輕微的損傷，這種在太陽電池單片外面的玻璃蓋片和太陽電池單片金屬連片之間產(chǎn)生一個(gè)高濃度的電勢中和稱為等離子體的一次放電。當(dāng)不同太陽電池串之間由于工作狀態(tài)不同造成的電勢差高于一定電壓時(shí)，使得高電位的太陽電池串部分電流在毫秒級(jí)的時(shí)間里流向低電位的太陽電池串，形成一定時(shí)間的放電，稱為二次放電。二次放電可以是也可以不是持續(xù)式的放電；如果二次放電僅發(fā)生在一次放電時(shí)間內(nèi)，當(dāng)一次放電停止二次放電同步結(jié)束，這種二次放電為非持續(xù)放電；形成二次放電，其電能遠(yuǎn)高于一次放電，一般能夠維持毫秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間，稱為持續(xù)放電，當(dāng)放電通路產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)哪芰繒r(shí)，可能使太陽電池電路之間或太陽電池單片與太陽電池的基板之間的材料產(chǎn)生熱解，熱解后留下一個(gè)低阻通路，太陽電池串的電流則通過此低阻通路與太陽電池基板及結(jié)構(gòu)形成一個(gè)閉環(huán)回路，導(dǎo)致太陽電池陣電路的永久性短路。

文獻(xiàn)[1]表明二次放電的主要表現(xiàn)形式是弧光和發(fā)熱，損傷表現(xiàn)為對(duì)基板造成燒蝕甚至碳化，但是只有在發(fā)生持續(xù)放電的情況下才可能產(chǎn)生這種損傷，而發(fā)生非持續(xù)放電對(duì)太陽電池性能的影響微乎其微。

2 太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)

三結(jié)砷化鎵太陽電池產(chǎn)品采用帶隙調(diào)整鍺襯底上生長小失配中頂電池技術(shù)，進(jìn)一步提升了吸收太陽光的能力，平均光電轉(zhuǎn)換效率不低于32%，具有電流密度高，抗輻射能力強(qiáng)。一次閾值試驗(yàn)主要摸索太陽電池電路發(fā)生一次放電的偏壓值，同時(shí)指導(dǎo)二次閾值試驗(yàn)接地偏壓的選取。二次閾值試驗(yàn)是為了測試太陽電池串之間會(huì)引起二次放電，所需的最小電壓值，從而指導(dǎo)后續(xù)太陽電池電路串聯(lián)和并聯(lián)設(shè)計(jì)。

太陽電池電路產(chǎn)品采用的疊層電池組件粘貼工藝、太陽電池陣組件串聯(lián)焊接工藝、電路錫焊工藝等，按照《SC-3GA-4-30 三結(jié)砷化鎵太陽電池4型80.0×40.0技術(shù)條件》中鑒定試驗(yàn)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行了相關(guān)溫度沖擊試驗(yàn)、帶電粒子輻照試驗(yàn)、恒壓反向偏置和反向偏置交變?cè)囼?yàn)、穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)、蓋片增益和太陽吸收率、半球向輻射率試驗(yàn)，試驗(yàn)期間對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了性能測試和外觀檢查，太陽電池電路輸出功率穩(wěn)定，無明顯變化，太陽電池電路導(dǎo)通、絕緣情況正常，無焊點(diǎn)脫焊，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

2.1 放電試驗(yàn)電池參數(shù)

一次放電試驗(yàn)電池件為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽電池，在基板上布貼5s3p的三結(jié)砷化鎵太陽電池組件，采用32%效率電池，電池并聯(lián)間隙為2 mm。電池引出線為Raychem公司的55/0112-24-9宇航級(jí)導(dǎo)線，焊于每個(gè)組件輸出端，導(dǎo)線穿過基板后引出并與罐內(nèi)電纜相連，穿線孔處用硅橡膠固封?；宀扇?7.5 kΩ高阻接地（兩個(gè)75 kΩ電阻并聯(lián)），實(shí)物如圖1。

二次放電試驗(yàn)件有2個(gè)。試驗(yàn)件1尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結(jié)砷化鎵太陽電池組件，并聯(lián)間隙為2 mm且間隙涂膠，通0.65 A電流，如圖2所示。試驗(yàn)件2尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結(jié)砷化鎵太陽電池組件，并聯(lián)間隙為3 mm，通0.65 A電流，實(shí)物圖如圖3所示。電池引出線為Raychem 55/0112-24-9宇航級(jí)導(dǎo)線，焊于每個(gè)組件輸出端，且導(dǎo)線穿過基板至板后引出與罐內(nèi)電纜相連，穿線孔用硅橡膠固封?；宀扇?7.5 kΩ高阻接地（兩個(gè)75 kΩ電阻并聯(lián)）。

2.2 放電試驗(yàn)過程

一次放電閾值試驗(yàn)：真空罐抽真空，12 h真空脫氣然后打開等離子體源并監(jiān)測等離子體環(huán)境參數(shù)，再將接地偏壓從-60 V起每1.5 h下調(diào)-5 V直至出現(xiàn)一次放電，結(jié)束試驗(yàn)。

二次放電閾值試驗(yàn)：真空罐抽真空，12 h真空然后打開等離子體源并監(jiān)測等離子體環(huán)境參數(shù)，接著在太陽電池串上通以650 mA電流，并在太陽電池串串間加上50 V電壓（即在電阻R的兩端加以50 V電壓），再將接地偏壓從-110 V起，未出現(xiàn)一次放電每1 min下調(diào)接地偏壓-5 V，在50次一次放電后調(diào)節(jié)串間電壓，每次串間電壓升高5 V直至出現(xiàn)二次放電事件，停止試驗(yàn)。

太陽能電池放電模擬的等離子體環(huán)境模擬設(shè)備實(shí)物圖見圖4示意。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

太陽電池陣試驗(yàn)按照其理論最大短路電流進(jìn)行試驗(yàn)，其二次放電閾值略有下降。實(shí)際上單并太陽電池在室溫、AM0光譜下的短路電流約為518 mA，即使考慮在軌最高工作溫度90 ℃、測試誤差、地球反照光、冬至最大日地因子等因素，其單并太陽電池初期短路電流仍低于0.6 A（直照溫度按90 ℃，測試誤差按1.02、日地因子按1.034、地球反照光按1.05計(jì)算，其理論最大短路電流為594 mA）。

短路電流密度為17.2 mA/cm2，電池面積為30.15 cm2，最大短路電流計(jì)算如下：

為降低靜電放電造成的風(fēng)險(xiǎn)，太陽電池電路理論上在一路TR載荷分陣供電、相鄰一路分流時(shí)，會(huì)在相鄰電池串正端位置出現(xiàn)最大68 V的壓差，該種情況僅在+X翼中板上有二處，在+X翼內(nèi)板上有三處，在+X翼中板上有二處，在+X翼中板上有三處，二次放電閾值遠(yuǎn)大于68 V的最大壓差，無靜電放電風(fēng)險(xiǎn)。而且，國內(nèi)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電流不小于1 A才能夠使二次放電持續(xù)進(jìn)行，形成持續(xù)放電PSA，并對(duì)太陽電池電路造成損傷，太陽電池電路每一并太陽電池均獨(dú)立輸出，電流不超過0.6 A，因此不會(huì)發(fā)生持續(xù)性放電。

（1）一次放電試驗(yàn)過程正常，太陽電池試驗(yàn)件一次放電閾值為-115 V；

（2）二次放電試驗(yàn)過程正常，太陽電池試驗(yàn)件1在210 V未發(fā)生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯(lián)間隙2 mm，間隙涂膠，電流0.65 A）。

（3）二次放電試驗(yàn)過程正常，太陽電池試驗(yàn)件2在210 V未發(fā)生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯(lián)間隙3 mm，電流0.65 A）。

兩個(gè)二次放電的試驗(yàn)件的二次放電閾值均不低于210 V，試驗(yàn)后試驗(yàn)件的外觀無異常，導(dǎo)通、絕緣均滿足要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)一次放電和二次放電試驗(yàn)的情況進(jìn)行了介紹，本次試驗(yàn)制備了兩種狀態(tài)的二次放電試驗(yàn)件，分別為并聯(lián)間隙2 mm、間隙涂膠試驗(yàn)件和并聯(lián)間隙3 mm的試驗(yàn)件，兩種試驗(yàn)件的二次放電閾值均不低于210 V，太陽電池電路在軌工作時(shí)的實(shí)際壓差遠(yuǎn)低于該閾值，因此太陽電池串間電壓低于210 V時(shí)無二次放電的風(fēng)險(xiǎn)。