空間太陽電池低溫低光強(qiáng)測試研究

姚元鑫，尹興月，張啟明，于 輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

深空探測衛(wèi)星由于工作在相對(duì)地球距離太陽更遠(yuǎn)的太空中，其特點(diǎn)就是能接收到的太陽光強(qiáng)度更低，溫度也相對(duì)更低，如圖1 所示，太陽電池陣的輸出功率必然相應(yīng)地減小，合理地設(shè)計(jì)太陽電池陣才能在離太陽較遠(yuǎn)的太空中產(chǎn)生足夠的能量，滿足航天器的載荷。深空各行星環(huán)境參數(shù)[1]如表1所示。

圖1 溫度與距離的關(guān)系

表1 深空各行星環(huán)境參數(shù)

在衛(wèi)星上可持續(xù)發(fā)電的太陽電池翼，在低溫低光強(qiáng)(low intensity low temperature，LILT)條件下的工作狀態(tài)尤其重要。三結(jié)太陽電池每個(gè)子電池都會(huì)遵循隨溫度與光強(qiáng)度變化而變化，每個(gè)子電池都有不同的帶隙和光吸收波段。對(duì)于串聯(lián)后的整電池，電壓是相加的，而總電流受子電池中最小電流的限制。三結(jié)太陽電池由三個(gè)子電池串聯(lián)而成，溫度和強(qiáng)度的影響變得更加復(fù)雜。各子電池都會(huì)隨著溫度的變化而變化。為預(yù)測在軌性能，開展地面的低溫低光強(qiáng)測試很重要。

本文介紹的LILT 太陽電池用于彗星探測軌道上，探測器與太陽最遠(yuǎn)距離為3.0 A.U.，最低溫度為-107 ℃，太陽電池陣處于低溫低光強(qiáng)條件下，與近地軌道的光照和溫度條件有很大差異。為獲得該環(huán)境下太陽電池I-V 曲線特性以及電性能數(shù)據(jù)，需在地面模擬該環(huán)境并測試得到數(shù)據(jù)。

1 測試設(shè)備

為獲得低溫低光強(qiáng)的測試環(huán)境，需要完成太陽模擬器光強(qiáng)及溫控平臺(tái)改造，并控制測試誤差，使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

1.1 太陽模擬器

穩(wěn)態(tài)太陽模擬器，可以提供穩(wěn)定的光源輸出。太陽模擬器應(yīng)滿足三個(gè)指標(biāo)：AM0光譜，不均勻性≤±2%，不穩(wěn)定性≤±1%。

由于氙燈光譜特點(diǎn)，在700～1 100 nm 波長范圍內(nèi)存在很多尖峰，這些尖峰的能量很大，影響太陽模擬器光譜不匹配度，如圖2 所示。太陽電池材料的禁帶寬度隨溫度的變化而變化，此時(shí)存在尖峰的光譜可能會(huì)在測試中對(duì)電池的電性能產(chǎn)生影響。為消除這些尖峰對(duì)太陽電池測試帶來的影響，提高測試準(zhǔn)確性，需對(duì)太陽模擬器進(jìn)行改造。

圖2 AM0光譜與單燈太陽模擬器光譜對(duì)比

將單燈太陽模擬器改造成雙燈太陽模擬器，由氙燈和鹵素?zé)裟MAM0 光譜。增加光學(xué)器件，分別獲取氙燈750 nm以前的光譜和鹵素?zé)?50 nm 以后的光譜，如此完成太陽模擬器光譜的改造，如圖3 所示，改造后的太陽模擬器與AM0 光譜更接近。

圖3 AM0光譜與改造后的太陽模擬器光譜對(duì)比

穩(wěn)態(tài)模擬器低光強(qiáng)獲取方式有兩種。

一種方式是直接降低光源兩端電流，使光源輸出光強(qiáng)減弱；氙燈在低功率輸出的情況下光強(qiáng)不穩(wěn)，如圖4 所示，用采集器采集電池的電流值，1 s 采集1 次，共采集30 s，測試光強(qiáng)的不穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)顯示電流最高7.05 mA，最低6.41 mA。

通過公式(1)計(jì)算得到不穩(wěn)定度為4.76%，光強(qiáng)不穩(wěn)直接導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測得太陽電池的電性能參數(shù)。

另一種方式是增加工裝，以遮擋的方式降低光強(qiáng)。增加工裝是為了在盡量小幅度改變模擬器光源輸出功率的情況下，通過遮擋減少光的輸出面積，從而達(dá)到量化降低光強(qiáng)的目的。在光源的照射下，溫度高于500 ℃，必須選擇耐高溫的材料；遮擋光源后必然對(duì)模擬器的光輸出產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在光譜的變化和光均勻性的變化：任何材料都會(huì)對(duì)光進(jìn)行吸收和反射，這就容易導(dǎo)致光譜在遮擋后發(fā)生變化。

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)了光強(qiáng)衰減器，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在小幅度調(diào)整太陽模擬器光強(qiáng)的前提下，完成太陽模擬器大幅度光強(qiáng)的衰減。實(shí)測增加光強(qiáng)衰減器后不同光強(qiáng)下的光譜曲線如圖4 所示。

圖4 不同光強(qiáng)下的光譜曲線

對(duì)測得的光譜積分后計(jì)算單位波長光強(qiáng)能量的占比，得到不同光強(qiáng)下的光譜分布情況，如表2 所示，通過表中的光譜分布可得到，在300～1 800 nm，三種光強(qiáng)下單位波長能量占比存在細(xì)微差異，添加器具后光譜分布變化幅度較小。

表2 不同光強(qiáng)下光譜分布對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證添加衰減器后光譜細(xì)微的差異是否對(duì)電池的測試產(chǎn)生影響，通過測試子電池和整電池電性能，對(duì)比不同光強(qiáng)條件下短路電流的變化，驗(yàn)證模擬器光強(qiáng)及光譜準(zhǔn)確性。如表3 所示，以3 A.U.的測試結(jié)果為例，測試結(jié)果表明，各子電池的短路電流均降低至1/9，添加光強(qiáng)衰減器實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)的降低，且光譜分布保持較好。

表3 1 A.U.與3 A.U.下短路電流對(duì)比

分別對(duì)添加光強(qiáng)衰減器后的穩(wěn)定性和不均勻性進(jìn)行測試，結(jié)果為：不穩(wěn)定性為0.71%，不均勻性為0.98%。結(jié)果表明，經(jīng)過改造后太陽模擬器的光譜匹配、光強(qiáng)不穩(wěn)定性、不均勻性均滿足測試要求。

1.2 溫控系統(tǒng)

單體太陽電池測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)低溫測試功能需要克服以下兩個(gè)問題：一是進(jìn)行低溫工況測試時(shí)，工作臺(tái)低溫使被測電池片表面形成水霧，影響光透射，產(chǎn)生測試誤差；二是測試時(shí)光照會(huì)使電池片溫度升高，被測電池溫度控制難度較大。通過新增高真空腔體，將被測電池放置在真空腔體內(nèi)進(jìn)行測試，以避免水霧影響光源透射，通過升級(jí)溫控平臺(tái)控制軟件，使測溫、控溫更加精準(zhǔn)。

1.3 測試方法

在低溫低光強(qiáng)環(huán)境下對(duì)太陽電池進(jìn)行電性能測試，溫控系統(tǒng)需放置在有效光斑內(nèi)，由數(shù)字源表完成太陽電池在當(dāng)前環(huán)境的電性能測試，所有電池均用四線制測試，如圖5 所示。熱電偶分別放置在測試臺(tái)上，為被測電池提供準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。

圖5 測試平臺(tái)搭建

使用標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)太陽模擬器，保持溫度為25 ℃，完成光強(qiáng)校準(zhǔn)后便不再調(diào)整太陽模擬器光強(qiáng)。按需求設(shè)置測試溫度并完成當(dāng)前溫度下的電性能測試。每個(gè)測試點(diǎn)同時(shí)測量溫度、電流、電壓。在測試期間，溫度保持在1 ℃以內(nèi)變化。

2 測試結(jié)果

被測樣品為40 mm×60 mm 三結(jié)砷化鎵太陽電池，樣品在25 ℃條件下進(jìn)行測試，圖6所示為太陽電池分別在1、2、3 A.U.三種光強(qiáng)下的I-V 曲線。

圖6 25 ℃三種光強(qiáng)下的I-V曲線

開展了1、2、3 A.U.三種光強(qiáng)下從25 ℃到-120 ℃下的電性能測試，并繪制出不同光強(qiáng)下電流、電壓、效率隨溫度變化的曲線，如圖7 所示。數(shù)據(jù)顯示，電流隨溫度的降低而降低，電壓隨溫度的降低而升高，電流和電壓隨溫度變化的趨勢并沒有因?yàn)楣鈴?qiáng)的變化而發(fā)生大幅度的變化。最大功率隨著溫度的降低一直呈上升趨勢，在-100 ℃以后上升趨勢逐漸平緩，結(jié)果表明，光強(qiáng)對(duì)電池各項(xiàng)參數(shù)的溫度系數(shù)影響較小。

圖7 不同光強(qiáng)下電流、電壓、效率隨溫度變化的曲線

最終獲得了各典型環(huán)境條件下的I-V 曲線以及參數(shù)，如圖8 所示，其中最終目標(biāo)軌道環(huán)境條件為3 A.U.，-110 ℃下效率最高可達(dá)34.5%。

圖8 不同光強(qiáng)和不同溫度下的I-V 曲線

3 結(jié)論

本文通過改造太陽模擬器和溫度控制，使其滿足低光強(qiáng)的測試條件，經(jīng)過驗(yàn)證測試表明，改造后的太陽模擬器其光譜與AM0 光譜非常接近，不穩(wěn)定性和不均勻性分別為0.71%和0.98%；增加高真空裝置，升級(jí)溫控平臺(tái)，減小了外界因素帶來的測試誤差。最終搭建的測試平臺(tái)滿足低溫低光強(qiáng)的測試要求并完成了低溫低光強(qiáng)測試，結(jié)果表明，測試平臺(tái)滿足LILT 電池對(duì)于光強(qiáng)、光譜及溫度的測試需求。本文的測試數(shù)據(jù)可以為LILT 電池的優(yōu)化以及深空探測提供有效的數(shù)據(jù)支撐。