空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的激光防護(hù)研究

蘇 彬，張 琦，張 偉，尋 薇

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384；2.中國(guó)空間技術(shù)研究通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

太陽(yáng)電池陣能夠?qū)⑻?yáng)光能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，是絕大部分航天器的唯一能量來(lái)源，對(duì)航天器的壽命有決定性作用。目前空間中太陽(yáng)電池陣上使用的太陽(yáng)電池主要是三結(jié)砷化鎵電池，從表面到基板分別是GaInP2/GaAs/Ge 結(jié)構(gòu)。三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池具有轉(zhuǎn)化效率高、耐高溫、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的抗輻照能力，需在太陽(yáng)電池表面加固抗輻照玻璃蓋片[1]。激光是人類(lèi)的重大發(fā)明，具備高亮度、高單色性、高方向性和高相干性的特點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光在空間中的應(yīng)用變得廣泛。激光在帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了一些隱患，比如高能激光會(huì)燒蝕材料，不恰當(dāng)使用或者意外情況下激光可能會(huì)對(duì)傳播路徑上的物體造成損傷[2]。太陽(yáng)電池陣面積大且暴露在空間中，因此有被空間激光輻照的可能性，一旦太陽(yáng)電池陣遭受激光不可恢復(fù)的損傷，航天器便失去了能量來(lái)源，無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮作用。因此，面對(duì)空間激光環(huán)境，應(yīng)對(duì)航天器進(jìn)行激光防護(hù)，重點(diǎn)是太陽(yáng)電池陣的激光防護(hù)。

本文簡(jiǎn)述了太陽(yáng)電池激光輻照效應(yīng)的研究進(jìn)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了1 064 nm 激光對(duì)空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的輻照損傷情況；對(duì)抗輻照玻璃蓋片的減反射膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，使其具備對(duì)1 064 nm 光的高反射能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)1 064 nm激光的防護(hù)；最后通過(guò)激光輻照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改善后的玻璃蓋片的抗激光效果。

1 空間激光與太陽(yáng)電池

1.1 空間激光的應(yīng)用

自20 世紀(jì)60 年代問(wèn)世以來(lái)，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在科研、工業(yè)、醫(yī)療、通訊、軍事等眾多與人類(lèi)生活和發(fā)展密切相關(guān)的領(lǐng)域中，都發(fā)揮著極其重要的作用。激光的應(yīng)用已經(jīng)不局限于地面，例如具備探測(cè)和通信能力的機(jī)載激光系統(tǒng)已經(jīng)取得了重大研究成果，并且開(kāi)始將成果推向至空間，也就是星載激光系統(tǒng)。與機(jī)載激光相比，星載激光最大的特點(diǎn)是無(wú)大氣和氣候干擾，傳播損耗小，因此在空間中可以充分發(fā)揮激光的優(yōu)勢(shì)。首先是在探測(cè)方面，據(jù)美國(guó)宇航局(NASA)相關(guān)報(bào)道，無(wú)論是簡(jiǎn)單的激光高度計(jì)還是復(fù)雜的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，依靠激光的高分辨度，科研工作者們完成了大量天體地形探測(cè)、星球環(huán)境監(jiān)控的工作[3]。其次，激光是無(wú)線(xiàn)傳能的良好工具。人們?cè)?jīng)提出空間太陽(yáng)能電站的概念，采集地球靜止軌道(GEO)上的太陽(yáng)能，并將這些能量通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳能的方式傳輸?shù)胶教炱骰虻孛妫_(dá)到高效利用太陽(yáng)能的目的[4]。激光具有很好的單向性，非常適合空間中的無(wú)線(xiàn)能量傳輸。另外，由于激光具有能量高的特點(diǎn)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家準(zhǔn)備利用高能星載激光清除空間碎片[5]，減輕地球軌道上的太空垃圾污染。除此之外，空間激光還可以用于無(wú)線(xiàn)通訊，以及空域作戰(zhàn)[6]等?？梢哉f(shuō)，空間激光的應(yīng)用潛力和前景是巨大的。

1.2 空間激光對(duì)太陽(yáng)電池的威脅

空間激光為科研和航天工程帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了一些隱患。如果激光的瞄準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，或者載體航天器出現(xiàn)故障，又或者一些激光路徑上的太空碎片對(duì)激光有較強(qiáng)的反射或散射，會(huì)使激光能量泄漏到空間中。這些情況下，航天器有暴露在激光輻照，甚至是高能激光輻照的環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)。航天器主要依靠太陽(yáng)電池陣從太陽(yáng)獲取能量，以完成航天任務(wù)。在缺乏有效防護(hù)手段的前提下，一旦太陽(yáng)電池陣因激光輻照而產(chǎn)生損傷，很可能使航天器的壽命大大縮短，甚至在短時(shí)間內(nèi)失效。

針對(duì)以上情況，為了明確激光對(duì)太陽(yáng)電池的作用機(jī)理和損傷閾值，探索合適的防護(hù)手段，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了關(guān)于激光損傷太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)研究[7-8]。中國(guó)電科十八所也進(jìn)行了相關(guān)工作，主要是硅和砷化鎵電池的激光輻照實(shí)驗(yàn)，以獲得太陽(yáng)電池的激光損傷功率密度閾值。圖1 展示了十八所進(jìn)行的砷化鎵電池的輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該電池在10 W 激光8 s 輻照下受到了損傷，出現(xiàn)穿孔，從局部圖中看出電池因燒熔而產(chǎn)生了鼓包式的變形。該結(jié)果說(shuō)明激光對(duì)太陽(yáng)電池存在較大威脅，對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行激光防護(hù)是非常必要的。

圖1 激光輻照后被擊穿的砷化鎵電池整體圖(左)及局部圖(右)

基于先前的研究經(jīng)驗(yàn)，本文進(jìn)行了空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的激光輻照實(shí)驗(yàn)，研究了激光對(duì)太陽(yáng)電池的輻照特點(diǎn)，提出了一種太陽(yáng)電池抗輻照玻璃蓋片的改善方案，實(shí)驗(yàn)證明蓋片經(jīng)改善后，能夠有效地衰減激光能量，保護(hù)太陽(yáng)電池不受激光損傷。

2 空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的激光輻照效應(yīng)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和光路系統(tǒng)

通過(guò)激光輻照實(shí)驗(yàn)，分析空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的激光輻照效應(yīng)。樣品為空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，從上至下依次為抗輻照玻璃蓋片、蓋片膠、金屬柵線(xiàn)、GaInP2頂電池、GaAs 中電池、Ge 底電池、背電極。為了良好地固定，將電池背電極用底片膠粘在基板上。

本文采用1 064 nm 激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它是空間激光常用的摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)激光的主要波段之一，在空間已有應(yīng)用。具體的實(shí)驗(yàn)光路如圖2 所示，激光從激光器出射，經(jīng)過(guò)一個(gè)可以精準(zhǔn)控制時(shí)間的快門(mén)和一個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)，將激光光斑放大至略大于太陽(yáng)電池尺寸的面積，再經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)光闌，使輻照面積與電池大小相同。利用紅外測(cè)溫儀和熱電偶記錄電池前后表面的溫度，電池電性能的變化由示波器給出。實(shí)驗(yàn)采用固定輻照時(shí)間(20 s)改變輻照功率的方式，以找到不同功率密度的激光對(duì)空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的不同損傷特征。該光路系統(tǒng)具有功率、輻照面積、輻照時(shí)間精確可調(diào)，溫度和電性能可以實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)記錄方式豐富等優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足各類(lèi)太陽(yáng)電池的激光損傷實(shí)驗(yàn)和激光防護(hù)性能測(cè)試的需求。

圖2 激光輻照實(shí)驗(yàn)光路示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)改變激光器輸出功率，進(jìn)行了1～7 W/cm2功率密度的激光輻照實(shí)驗(yàn)。圖3 所示為激光功率密度為6 W/cm2時(shí)記錄的太陽(yáng)電池負(fù)載電壓和背電極溫度的實(shí)時(shí)變化，在記錄時(shí)間為20 s 時(shí)打開(kāi)快門(mén)，激光輻照電池使電池迅速升溫，與此同時(shí)電池的負(fù)載電壓由于溫度的升高而下降，經(jīng)過(guò)20 s 的輻照時(shí)間后，快門(mén)關(guān)閉，激光停止輻照電池，此時(shí)電池的溫度開(kāi)始下降，負(fù)載電壓也逐漸恢復(fù)。從圖3 可以看出，在6 W/cm2的激光輻照下，太陽(yáng)電池在溫度恢復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電壓未完全恢復(fù)，說(shuō)明激光對(duì)太陽(yáng)電池造成了永久性的損傷。

圖3 負(fù)載電壓和背電極溫度隨時(shí)間的變化

圖4 為激光功率密度為2、4、6 W/cm2時(shí)輻照實(shí)驗(yàn)后太陽(yáng)電池的實(shí)物圖。從圖4 可以得知，激光功率為2 W/cm2時(shí)，輻照后的電池形貌無(wú)變化；激光功率為4 W/cm2時(shí)，蓋片膠中出現(xiàn)了一個(gè)氣泡，它是由于蓋片膠升溫汽化導(dǎo)致的；而激光功率為6 W/cm2時(shí)，一部分蓋片損壞，因?yàn)樯w片膠進(jìn)一步汽化后使蓋片炸裂。圖5 繪制了這三個(gè)實(shí)驗(yàn)后電池的I-V 特性曲線(xiàn)，激光功率為2 W/cm2時(shí)，與實(shí)驗(yàn)前數(shù)據(jù)相比，電池的電性能沒(méi)有下降，說(shuō)明20 s 時(shí)間內(nèi)該功率密度不能對(duì)太陽(yáng)電池造成損傷，只是在輻照時(shí)因?yàn)闇厣固?yáng)電池的輸出電壓短暫下降；激光功率為4 W/cm2時(shí)，蓋片膠出現(xiàn)了汽化，但太陽(yáng)電池的效率沒(méi)有明顯下降，說(shuō)明電池的結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到損傷，不過(guò)蓋片膠的損傷可能會(huì)影響太陽(yáng)電池抗粒子輻照的能力；激光功率為6 W/cm2時(shí)，圖3 的結(jié)果已顯示出電池電性能的改變，I-V 曲線(xiàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，太陽(yáng)電池的填充因子和開(kāi)路電壓有了明顯下降。綜上，可以認(rèn)為當(dāng)激光的功率密度達(dá)到6 W/cm2時(shí)，輻照時(shí)間持續(xù)20 s，就能夠永久性地對(duì)太陽(yáng)電池造成損傷。所以進(jìn)行空間激光防護(hù)研究時(shí)，要盡可能控制輻照到太陽(yáng)電池上的激光參數(shù)低于這組數(shù)值。

圖4 輻照實(shí)驗(yàn)后的太陽(yáng)電池

圖5 實(shí)驗(yàn)后太陽(yáng)電池的I-V曲線(xiàn)

3 太陽(yáng)電池激光防護(hù)蓋片的研制

為了應(yīng)對(duì)空間激光對(duì)航天器太陽(yáng)電池陣的威脅，多種激光防護(hù)方法被提出，大致可以分為兩類(lèi)，即主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)是指航天器具備激光預(yù)警功能，當(dāng)激光到達(dá)預(yù)警范圍內(nèi)，航天器可以通過(guò)快速變軌等方式進(jìn)行應(yīng)對(duì)。被動(dòng)防御則是激光輻照到太陽(yáng)電池陣后，通過(guò)一些防護(hù)措施降低激光對(duì)電池陣的影響，具體方法包括高反射型激光防護(hù)膜、故障區(qū)快速隔離等。在太陽(yáng)電池上加固高反射型激光防護(hù)膜，是太陽(yáng)電池應(yīng)對(duì)激光輻照的一種重要防護(hù)方法，防護(hù)膜將絕大部分激光以反射的形式耗散出去，使太陽(yáng)電池只受到剩余少部分激光的輻照，間接提高了激光的損傷閾值。激光防護(hù)膜可以大致分為有色玻璃、介質(zhì)膜濾光片和相變膜濾光片[9]等，考慮到防護(hù)膜不能對(duì)太陽(yáng)電池的發(fā)電效率造成過(guò)大的影響，有色玻璃和相變膜現(xiàn)階段并不適用，因此本文的工作根據(jù)介質(zhì)膜濾光片的原理，對(duì)目前使用的抗輻照玻璃蓋片上的減反射膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，使其對(duì)1 064 nm 的光具備高反射能力，而在其他的太陽(yáng)光吸收波段仍起到減反的作用。

通過(guò)Macleod 軟件設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)，以玻璃為基底，根據(jù)傳統(tǒng)幾何光學(xué)的原理，采用厚度為四分之一波長(zhǎng)的層結(jié)構(gòu)，將不同折射率的介質(zhì)堆疊，這樣制備的蓋片具有帶阻濾光的特性，能夠使防護(hù)波段的透射降低，其他頻段透射基本保持不變?？紤]到對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率的需求，在設(shè)計(jì)時(shí)要求膜系對(duì)400～950 nm 光的透射率達(dá)到95%以上，盡可能減少濾光片對(duì)空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池頂電結(jié)和中間結(jié)光吸收的影響。其次，為了起到激光防護(hù)的目的，要求結(jié)構(gòu)對(duì)1 064 nm光的透射率小于10%，即90%以上的光被結(jié)構(gòu)反射。設(shè)計(jì)完畢后，依照設(shè)計(jì)方案在抗輻射玻璃蓋片上蒸鍍介質(zhì)膜疊層，制得激光防護(hù)蓋片樣品。利用分光光路計(jì)，對(duì)研制的蓋片的透射率進(jìn)行測(cè)量，曲線(xiàn)如圖6 所示。由圖6 得知，在1 064 nm附近透射率曲線(xiàn)有一個(gè)明顯的透射率，最小透射率僅有5.9%，對(duì)應(yīng)的反射率超過(guò)94%。而400～950 nm 的平均透射率高達(dá)95.7%，高于傳統(tǒng)的氟化鎂蓋片，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。將此蓋片粘貼到三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池上，對(duì)比前后的電池效率，與氟化鎂蓋片相比，激光防護(hù)蓋片造成的電池效率的相對(duì)衰降在5.5%左右。所以在盡可能降低電池效率衰降的同時(shí)，該濾波片能夠起到有效防護(hù)1 064 nm 激光的作用，可應(yīng)用于現(xiàn)階段空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的激光防護(hù)。

圖6 激光防護(hù)蓋片的透射率曲線(xiàn)

4 太陽(yáng)電池激光防護(hù)蓋片的抗激光能力驗(yàn)證

為了證明加固激光防護(hù)蓋片的太陽(yáng)電池的抗激光能力，在圖2 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行了加固電池的激光實(shí)驗(yàn)。選擇9 W/cm2的1 064 nm 激光，對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行20 s 的連續(xù)輻照。圖7 給出了玻璃蓋片封裝帶互連片的電池(CIC 電池)和加固激光防護(hù)蓋片的電池在激光輻照下的表現(xiàn)，普通CIC 電池不能承受高能激光產(chǎn)生的熱量，蓋片和電池均損壞，因燒蝕產(chǎn)生大量煙塵；而激光防護(hù)后的太陽(yáng)電池在整個(gè)激光輻照過(guò)程中未出現(xiàn)任何明顯變化。實(shí)驗(yàn)后對(duì)電池的電性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。未加固電池的電性能幾乎完全喪失，I-V 曲線(xiàn)呈直線(xiàn)狀，而加固電池與實(shí)驗(yàn)前數(shù)據(jù)相比，沒(méi)有出現(xiàn)衰降。該結(jié)果充分說(shuō)明了激光防護(hù)蓋片能實(shí)現(xiàn)高能激光防護(hù)，大幅提高激光損傷太陽(yáng)電池的功率密度閾值，具備空間太陽(yáng)電池激光防護(hù)的應(yīng)用潛力。

圖7 普通CIC 電池(左)和加固激光防護(hù)蓋片的電池(右)的激光損傷實(shí)驗(yàn)

圖8 實(shí)驗(yàn)后普通CIC 電池和加固激光防護(hù)蓋片電池的I-V 曲線(xiàn)

5 結(jié)論

通過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究，激光技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了空間領(lǐng)域?？臻g激光的應(yīng)用給航天器的安全帶來(lái)了威脅，尤其是太陽(yáng)電池陣，受到激光輻照后會(huì)出現(xiàn)溫度升高、電能輸出能力下降，甚至是不可恢復(fù)的永久性損傷。本文通過(guò)搭建激光輻照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到了空間三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池在功率密度為6 W/cm2的1 064 nm 激光20 s時(shí)長(zhǎng)的輻照下，電池蓋片炸裂、效率下降的結(jié)果，該結(jié)果說(shuō)明了進(jìn)行太陽(yáng)電池激光防護(hù)的必要性。對(duì)抗輻照玻璃蓋片上的膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，研制出一種針對(duì)1 064 nm 光的高反射蓋片，可以將激光能量衰減94%以上，同時(shí)造成的電池效率衰減在5.5%左右。最后在激光輻照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)加固激光防護(hù)蓋片的太陽(yáng)電池進(jìn)行抗激光能力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示研制的蓋片能夠提高激光的損傷閾值，起到激光防護(hù)的作用。