空間三結(jié)太陽電池用激光防護蓋片研究

孫希鵬，李曉東，杜永超,2

(1.天津恒電空間電源有限公司，天津 300384；2.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據(jù)發(fā)射激光的工作物質(zhì)狀態(tài)的不同，可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、光纖激光器等。激光具有很好的方向性，發(fā)散角非常小，通常在毫弧度量級(mrad)，因此，激光武器能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離精準打擊，其攻擊范圍可達數(shù)十甚至數(shù)百千米。

激光武器對于目標的破壞效應(yīng)主要包括燒蝕效應(yīng)、激波效應(yīng)以及輻射效應(yīng)。激光武器的破壞效應(yīng)已被廣泛運用于防空、反坦克、反導彈等方面。激光武器命中目標后，會造成目標功能的短暫或永久性失效，在現(xiàn)代戰(zhàn)場上具有效率高、響應(yīng)快的優(yōu)點。美國目前已發(fā)展了機載、艦載、車載、天基和地基等激光武器，研制出了在宇宙空間中運行的激光戰(zhàn)斗衛(wèi)星，對空間軌道中的人造衛(wèi)星等航天器造成重大威脅[1]。

激光武器對人造衛(wèi)星的破壞效果可分為兩種。一種是對重點元器件的破壞，如某些光學元件或靈敏度較高的探測系統(tǒng)，被破壞后會使得衛(wèi)星的重點功能失效。另一種是對能源系統(tǒng)的破壞，即對衛(wèi)星太陽電池翼的破壞。太陽電池是人造衛(wèi)星等航天器的主要能量來源，當人造衛(wèi)星在軌運行時，完全展開的太陽電池翼面積是衛(wèi)星主機部分的數(shù)倍甚至十數(shù)倍，因此太陽電池翼也是激光武器的主要攻擊對象[2]。一旦太陽電池翼受到破壞，電池局部或整體必然發(fā)生失效，最終導致衛(wèi)星失去電力供應(yīng)，無法正常工作，甚至失控墜毀。

為了確保我國衛(wèi)星的在軌運行安全，迫切地需要對衛(wèi)星，尤其是衛(wèi)星太陽電池的激光防護加固措施展開深入研究。由于衛(wèi)星太陽電池需要持續(xù)接收太陽光以產(chǎn)生電能，因此無法采用遮蔽的手段實現(xiàn)激光防護，比較有效的方式是在太陽電池用玻璃蓋片的表面沉積功能性薄膜[3]，在確保太陽電池的在軌輸出功率滿足使用要求的同時，提高其對某波長激光的反射效果，從而實現(xiàn)太陽電池陣的激光防護。本文設(shè)計并制備了一種可提高太陽電池對1 064 nm 波長激光防護閾值的玻璃蓋片(簡稱激光防護蓋片)，研究了激光防護蓋片對太陽電池效率的影響以及對1 064 nm 激光的防護效果。

1 激光防護蓋片設(shè)計與制備

1.1 激光防護蓋片設(shè)計

三結(jié)砷化鎵太陽電池由頂結(jié)GaInP 子電池、中間結(jié)GaAs子電池及底結(jié)Ge 子電池串聯(lián)而成，電池總光譜響應(yīng)范圍為300～1 800 nm。AM0 太陽光譜歸一化曲線與典型三結(jié)太陽電池外量子效率(EQE)測試曲線如圖1 所示。在AM0 光譜下，GaInP 子電池產(chǎn)生的光電流IGaInP和GaAs 子電池產(chǎn)生的光電流IGaAs比較接近，Ge 子電池光電流IGe相對較高[4]，各結(jié)子電池的光電流關(guān)系為IGaInP≈IGaAs≈0.7IGe。

圖1 AM0太陽光譜歸一化曲線與典型三結(jié)太陽電池EQE曲線

需要防護的激光波長為1 064 nm，在Ge 子電池的響應(yīng)波長范圍內(nèi)，對1 064 nm 的光線進行適當反射，直至Ge 子電池光電流IGe’略高于其它兩結(jié)，既不會對電池整體性能造成過大衰降，還可以提高太陽電池對1 064 nm 激光的防護閾值。在粘貼激光防護蓋片后，太陽電池各結(jié)子電池的電流關(guān)系應(yīng)滿足式(1)，激光防護蓋片反射率R(λ)應(yīng)滿足式(2)。

式 中：SR(λ)為太陽電池的響應(yīng)度；P(λ)為AM0光譜強度；IGaInP、IGaAs、SR(λ)均是通過測量典型三結(jié)太陽電池EQE得到。

經(jīng)過計算，當R(1 064 nm)=60%，反射峰半高寬約為250 nm 時，現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)可滿足式(1)～(2)的數(shù)值關(guān)系，而在其他波段內(nèi)，尤其是在400～900 nm 的短波波段，表面反射損失應(yīng)越低越好，這樣可使IGaInP和IGaAs在貼片后不發(fā)生明顯衰降。以此為目標進行激光防護蓋片的光學膜層設(shè)計，根據(jù)菲涅爾公式[5]，玻璃蓋片表面的激光防護膜應(yīng)由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替沉積而成，其初始結(jié)構(gòu)如式(3)所示。

式中：H代表四分之一波長厚度的高折射率材料；L代表四分之一波長厚度的低折射率薄膜材料，兩種材料均為透明氧化物。

在Macleod 軟件中對膜層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化計算，首先通過Needle synthesis 利用梯度信息進行膜層優(yōu)化。待品質(zhì)因數(shù)小于10 后，清除厚度小于10 nm 的膜層，鎖定除最外2 層和最內(nèi)2 層之外的其他膜層，使用Simplex 對最外2 層和最內(nèi)2 層進行快速優(yōu)化，最終得到非周期性的激光防護膜層設(shè)計，其透射率模擬曲線如圖2 所示。

圖2 激光防護蓋片透射率模擬曲線

1.2 激光防護蓋片制備

采用電子束熱蒸發(fā)、離子源輔助的方式，在90 μm 厚度的抗輻照玻璃蓋片表面沉積上述膜層。烘烤溫度為150 ℃，沉積過程中通入氬氣作為離子源的工作氣體，通入氧氣作為氧化物材料的反應(yīng)氣體。制備得到的激光防護蓋片樣品如圖3所示，由于兩種薄膜材料分別表現(xiàn)為壓應(yīng)力和張應(yīng)力，因此二者應(yīng)力相互抵消使得激光防護蓋片未表現(xiàn)出明顯翹曲，其翹曲度小于0.02 mm。

圖3 激光防護蓋片實物圖

2 結(jié)果與討論

2.1 光學特性

使用分光光度計，在積分球模式下分別測量激光防護蓋片和MgF2蓋片的透射率，同時與激光防護蓋片的設(shè)計值進行對比，繪制曲線如圖4 所示，對比數(shù)據(jù)如表1 所示。結(jié)果表明，激光防護蓋片的實測值與設(shè)計值具有良好的符合度，在波長小于400 nm 的短波部分因多層薄膜的吸收作用導致透射率略有降低，但仍可滿足使用要求。對比激光防護蓋片和MgF2蓋片，其透射率差異主要出現(xiàn)在波長大于900 nm 的中長波區(qū)域，對于三結(jié)砷化鎵太陽電池，雖會導致Ge 子電池電流的部分衰降，但仍可大于前兩個子電池的電流值，對電池電流的輸出不會造成明顯影響。由于選擇的膜層在1 064 nm處的吸收較低可忽略不計，樣品在1 064 nm 處的透射率小于40%，其在1 064 nm 處的反射率可達60%以上。

圖4 激光防護蓋片和MgF2蓋片的透射率對比曲線

表1 激光防護蓋片與MgF2 蓋片的透射率 %

2.2 膜層牢固度與環(huán)境適應(yīng)性

對激光防護蓋片進行煮水摩擦試驗，檢查蓋片表面膜層的牢固度。將樣品置于沸騰的去離子水中煮沸15 min 后取出擦干，用橡皮摩擦帶膜表面，膜層未出現(xiàn)脫落。樣品煮水后進行透射率測試，膜層反射中心出現(xiàn)了細微的偏移，光學特性仍滿足要求。

對激光防護蓋片進行溫度沖擊試驗，考查其環(huán)境適應(yīng)性。樣品在-180～100 ℃循環(huán)6 次，取出后膜層未出現(xiàn)脫落，樣品無明顯形變，光學特性無明顯變化。

2.3 貼片后反射率

在三結(jié)砷化鎵太陽電池表面分別粘貼激光防護蓋片和MgF2蓋片，組合成CIC 組件，測量組件整體的反射率，反射率曲線如圖5 所示。MgF2蓋片CIC 組件在1 064 nm 處反射率為14.99%，激光防護蓋片CIC 組件在1 064 nm 處反射率為64.13%。CIC 組件對1 064 nm 激光的耐受閾值與其對此波長的激光的吸收率呈反比，因此在垂直入射條件下，理論上激光防護蓋片CIC 組件的1 064 nm 激光耐受閾值是MgF2蓋片CIC 組件的2.37 倍。

圖5 激光防護蓋片和MgF2蓋片組件的反射率曲線

2.4 貼片后電性能

分別測量三結(jié)砷化鎵太陽電池在粘貼激光防護蓋片和MgF2蓋片前后的電性能[AM0,(25±2) ℃,135.3 mW/cm2]，結(jié)果如表2 所示。雖然與MgF2蓋片相比，貼激光防護蓋片后效率衰降增加了1.71%，但此衰降值較小，仍可滿足型號產(chǎn)品的使用要求。

表2 激光防護蓋片與MgF2 蓋片貼片前后電池性能

貼片后的兩種組件的EQE曲線如圖6 所示，測試得到的不同波段響應(yīng)電流密度如表3 所示。雖然激光防護蓋片對太陽電池的底結(jié)衰降比較明顯，但底結(jié)子電池的響應(yīng)電流密度仍比前兩結(jié)子電池的響應(yīng)電流密度高出約15%，這就盡可能地降低了激光防護蓋片對太陽電池電流輸出的影響。另一方面，因空間環(huán)境輻照所導致的電池性能衰降也不會因使用激光防護蓋片而被進一步擴大。

表3 激光防護蓋片組件與MgF2 蓋片組件的響應(yīng)電流密度 mA/cm2

圖6 激光防護蓋片和MgF2蓋片組件的EQE對比曲線

2.5 吸收系數(shù)

根據(jù)反射率數(shù)值，計算激光防護蓋片組件和MgF2蓋片組件的吸收系數(shù)，分別為0.820 和0.883。激光防護蓋片組件與MgF2蓋片組件相比，吸收系數(shù)下降了0.063，預(yù)計可使其在軌溫度降低約6.3 ℃，在軌輸出效率提高1.6%。因此，激光防護蓋片比MgF2蓋片具有一定的在軌使用優(yōu)勢。

2.6 激光防護能力

為了研究激光防護蓋片的激光防護能力，在真空環(huán)境下模擬空間應(yīng)用環(huán)境進行激光照射試驗。太陽電池組件使用硅膠粘貼在蜂窩鋁基板上，1 064 nm 激光經(jīng)機械快門、擴束鏡、準直鏡、方形光闌后照射到太陽電池組件表面。不同組件樣品經(jīng)激光照射試驗后的外觀狀態(tài)及效率衰降如表4 所示。激光主要是通過其熱效應(yīng)對組件造成損壞，由于1 064 nm 波長屬于太陽電池的底結(jié)吸收波段，底結(jié)吸收激光后發(fā)熱導致外延結(jié)構(gòu)破壞，甚至局部pn 結(jié)短路，釋放的熱量使電池表面的蓋片膠也發(fā)生汽化。當樣品表面的激光功率密度為3 W/cm2時，MgF2蓋片組件內(nèi)的蓋片膠已發(fā)生汽化，底結(jié)外延層輕微受損；激光防護蓋片組件無明顯變化。當激光功率密度達到9 W/cm2時，MgF2蓋片組件被完全破壞，頂、中、底外延結(jié)構(gòu)全部受損；激光防護蓋片組件轉(zhuǎn)換效率衰降為4.2%，只是底結(jié)外延層輕微受損。雖然不同電池樣品的外延結(jié)構(gòu)耐熱性會略有差別，但與MgF2蓋片組件相比，激光防護蓋片組件表現(xiàn)出了明顯的激光防護能力，未來應(yīng)用價值十分顯著。

表4 不同組件樣品激光照射試驗后狀態(tài)

3 結(jié)論

本文設(shè)計并制備了空間三結(jié)太陽電池用激光防護蓋片，其表面的激光防護膜采用電子束熱蒸發(fā)、離子源輔助沉積的方式進行制備，經(jīng)煮水摩擦試驗和溫度沖擊試驗，膜層牢固度和環(huán)境適應(yīng)性滿足要求。貼片后，激光防護蓋片組件對1 064 nm 光線的反射率大于60%，效率衰降為2.18%，相對于普通MgF2蓋片組件，其效率衰降較小，而且吸收系數(shù)下降了0.063，可有效提高在軌輸出功率。經(jīng)激光照射試驗，激光防護蓋片可有效提高電池組件對1 064 nm 激光的防護能力。激光防護蓋片有望成為一種新型的空間蓋片產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用到具有激光防護需求的太陽電池陣中。