低軌道高壓太陽電池陣充放電效應防護薄膜技術(shù)研究

史　亮，陳益峰，秦曉剛，湯道坦，柳　青，李中華

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)重點實驗室；b.真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000）

低軌道高壓太陽電池陣充放電效應防護薄膜技術(shù)研究

史亮a，陳益峰b，秦曉剛b，湯道坦b，柳青a，李中華b

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)重點實驗室；b.真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

星用高壓太陽電池陣已得到越來越多的應用，但其充放電效應防護問題仍未得到徹底解決，限制了其在低軌道航天器的應用。提出了一種星用高壓太陽電池陣充放電防護薄膜技術(shù)，通過隔離太陽電池表面與空間等離子體的相互作用，從而防止充放電效應發(fā)生。防護薄膜具有ITO/硅氧烷/透明基底的復合結(jié)構(gòu)，其透過率超過90%。驗證試驗結(jié)果表明，防護薄膜可以有效防止高壓太陽電池陣在低軌道環(huán)境中發(fā)生充放電現(xiàn)象。

高壓太陽電池陣；充放電效應；防護薄膜

0　引言

隨著航天技術(shù)發(fā)展，高性能衛(wèi)星平臺和大型航天器已經(jīng)越來越多的使用高壓供配電系統(tǒng)。但是，自上世紀90年代至今，星用高壓太陽電池陣（太陽電池陣母線電壓≥100 V）在航天器上已經(jīng)發(fā)生了多起由充放電效應導致的故障甚至衛(wèi)星失效事件[1-2]。

國內(nèi)外針對星用高壓太陽電池陣充放電效應防護問題，提出了多種防護方法。中高軌道航天器中應用的方法主要是電池串間涂敷室溫硫化硅橡膠的方法，該方法可以在不改變高壓太陽陣設(shè)計結(jié)構(gòu)的情況下，在相鄰電池串間形成勢壘層，阻礙串間臨時性短路通道的形成，使太陽陣功率輸出不能維持。并對聚酰亞胺基底起到熱保護作用，防止由于溫度過高使基底材料熱解擊穿。但是，針對低軌道環(huán)境中的高壓太陽電池陣充放電效應，還沒有很好的被動防護方法。運行于低地球軌道（LEO）的國際空間站上使用了高壓太陽電池陣，為了保障空間站在軌安全和航天員出艙時的人身安全，使用了電位主動控制方法，但是由于其技術(shù)復雜以及重量、體積、功耗等原因也限制了其在一般衛(wèi)星上的應用[3-4]。有鑒于此，開發(fā)了一種透明導電復合防護薄膜，可以有效防止充放電現(xiàn)象的發(fā)生。

1　薄膜設(shè)計及制備

通過大量分析研究發(fā)現(xiàn)，高壓太陽電池陣在空間環(huán)境中，與空間等離子體作用，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)電位高于太陽電池表面電位的現(xiàn)象（如圖1所示），即反轉(zhuǎn)電位梯度（Inverted PotentialGradient，IPG），反轉(zhuǎn)電位梯度就是高壓太陽電池陣在軌發(fā)生放電的主要原因[5-9]。

圖1　正常電位梯度（NPG）與反轉(zhuǎn)電位梯度（IPG）

因此，如果在太陽電池陣表面覆蓋一層防護薄膜，從而隔絕空間等離子體環(huán)境與太陽電池的相互作用，就可以在根本上防止太陽電池陣充放電效應的發(fā)生。要實現(xiàn)這一目標，防護薄膜必須滿足三個要求：（1）較高的可見光透過率，盡量減少對太陽電池陣發(fā)電的影響；（2）表面具有良好的導電性，不會造成不等量帶電；（3）較好的空間環(huán)境適應性，保證薄膜在軌長期使用時性能穩(wěn)定。

設(shè)計了一種氧化銦錫/硅氧烷/聚酰亞胺三層結(jié)構(gòu)的復合薄膜。復合薄膜基底材料選擇厚度為0.25μm的透明聚酰亞胺薄膜，該材料為航天器表面常用的聚合物材料，多用于熱控薄膜基底、導線絕緣層制備等用途，具有良好的延展性，抗冷熱沖擊性能和耐輻射性能。薄膜表面是利用磁控濺射技術(shù)制備的一層厚10～20 nm的氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）膜。ITO膜是目前研究和應用最廣泛的透明導電薄膜，其電阻率介于105～106Ω·cm之間，可見光的透過率達85%以上，并且具有良好的化學穩(wěn)定性，不會與空間原子氧發(fā)生反應[10]。但是由于ITO本身較脆，在安裝和使用過程中會產(chǎn)生微小裂紋，不能隔絕原子氧與基底材料的反應，因此在導電層與基底材料之間增加了原子氧防護層。在基底材料上利用等離子體聚合技術(shù)制備一層厚度150 nm左右的硅氧烷膜。硅氧烷膜具有高的熱穩(wěn)定性、高的氧化穩(wěn)定性、良好的抗輻照性、極低的表面張力等物理化學特性。試驗表明，具有硅氧烷鍍層的聚酰亞胺材料在累計通量為1024atoms/m2的原子氧（相當于380 km高度軌道10年的原子氧通量）作用下，質(zhì)量無明顯變化，耐氧化性能優(yōu)于SiO2、SiOx防護鍍層[11]。

按照上述方法制備的透明導電復合薄膜，表面電阻率小于106Ω·cm，使用Lambda900紫外可見近紅外分光光度計對薄膜的全光譜透過率進行了測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　薄膜全光譜透過率測試結(jié)果曲線圖

從圖2測試結(jié)果可看出，在波長500～1 500 nm范圍內(nèi)，透明Kapton基底的平均透過率在91%以上。在表面增加了硅氧烷之后，由于透過率有所上升，平均透過率達到93%左右。在增加ITO鍍層，完成復合膜制備之后，平均透過率又恢復到91%以上。以上結(jié)果已經(jīng)超過國外同類薄膜88%的最大透過率[12]，這說明ITO+硅氧烷復合層對基底膜的光學性能沒有影響，在改進工藝后，有可能會進一步提高復合薄膜的光學透過率。因此，復合薄膜的透過率取決于基底材料的透過率性能。

2　驗證試驗

（1）對太陽電池性能影響

將制備好的復合薄膜包覆在三結(jié)砷化鎵太陽電池表面，進行了薄膜對太陽電池性能影響的性能測試，并利用電池的輸出電流變化反推薄膜的透過率。測試結(jié)果與全光譜透過率測試結(jié)果較為一致，如表1所列。因此，薄膜對太陽電池發(fā)電效率造成的損耗小于10%。

表1　復合薄膜對三結(jié)砷化鎵太陽電池性能的影響測試結(jié)果

（2）充放電防護性能試驗

通過地面模擬試驗對復合薄膜在LEO軌道環(huán)境中的帶電防護性能進行了驗證試驗。試驗中使用空間等離子環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)，如圖3所示，模擬LEO低溫稠密等離子體環(huán)境，具體參數(shù)如表2所列。

為了模擬太陽電池陣在軌實際使用工況并對其放電進行監(jiān)測，設(shè)計了如圖4所示的試驗電路。在該電路中，V為電壓表，監(jiān)測回路內(nèi)電壓；T1、T2為Tek P6022電流探頭，用來監(jiān)測放電脈沖；C1、C2、C3為太陽電池陣對基板模擬電容，C1=C2=C3=1 uF；C4為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對空間的電容，C4=2 uF；L1為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對空間的電感，L1=8 mH；R為回路負載電阻，0～200Ω可調(diào)；R1、R2為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)電阻，R1=94Ω，R2=10 kΩ；P1為模擬直流電源，為太陽電池串間提供工作電壓，0～160 V可調(diào)；P2為直流電源，為太陽電池串間提供偏置電壓，0～-5 000 V可調(diào)。

試驗樣品為三結(jié)砷化鎵太陽電池組件。樣品基板為碳纖維鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，基板上覆蓋有Kapton膜作為基底絕緣材料，互聯(lián)材料為銀。通過電路將太陽電池分成兩串，組成2×3結(jié)構(gòu)，形成太陽電池陣樣品。

表2　LEO等離子體環(huán)境模擬參數(shù)

圖3　空間等離子環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)

圖4　試驗電路原理圖

試驗中待模擬LEO等離子體環(huán)境的參數(shù)達到表2的數(shù)值后，將電池樣品偏置電壓設(shè)為100 V，串間電壓從50 V開始，每隔10 min增加10 V。最高串間電壓設(shè)為160 V，如有二次放電發(fā)生即中止試驗，試驗結(jié)果如表3所列。在上述試驗條件下，太陽電池陣樣品靜電放電（一次放電）次數(shù)隨著串間電壓升高而增多，其典型放電波形如圖5所示，且在串間電壓達到80 V時樣品就發(fā)生了二次放電現(xiàn)象，太陽電池樣品瞬間被擊穿短路，樣品串間基底材料形成短路通道。模擬電源處于恒流狀態(tài)，I=2.1 A。

表3　未防護樣品試驗結(jié)果

圖5　樣品發(fā)生靜電放電時監(jiān)測到的典型放電波形

用防護薄膜將其中一塊相同的太陽電池陣組件包覆，如圖6所示，薄膜表面接地。使用與上述試驗相同的參數(shù)對薄膜包覆后的樣品進行模擬試驗，試驗過程中，包覆薄膜的太陽電池未發(fā)生放電現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，透明導電復合薄膜能夠有效防止太陽電池陣充放電效應的發(fā)生。

圖6　薄膜包覆樣品試驗前后對比

3　總結(jié)

使用高壓太陽電池陣已成為高性能衛(wèi)星的必然趨勢，但是其充放電防護問題未得到徹底解決。提出了一種氧化銦錫/硅氧烷/聚酰亞胺三層結(jié)構(gòu)的透明導電復合薄膜，其表面電阻率小于106Ω·cm，可見光波段的平均透過率達到91%以上，對三結(jié)砷化鎵太陽電池發(fā)電效率造成的影響小于10%。對復合薄膜在LEO軌道環(huán)境中的帶電防護性能進行的地面驗證試驗結(jié)果表明，對于相同的太陽電池陣樣品，未防護的樣品靜電放電次數(shù)隨著串間電壓升高而增多，且在串間電壓達到80 V時樣品就發(fā)生了二次放電現(xiàn)象，而使用防護膜進行防護的樣品未發(fā)生放電現(xiàn)象，因此透明導電復合薄膜具有良好的防護性能，可以有效防止LEO環(huán)境中的星用高壓太陽電池陣發(fā)生放電。

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THE STUDY OFDEFENDING FILM OF LEO SATELLITEHIGH-VOLTAGE SOLAR ARRAY CHARGING EFFECT

SHILianga，CHENYi-fengb，QIN Xiao-gangb，TANG Dao-tanb，LIU Qinga，LIZhong-huab
（a.Science and Technology on M aterial Perform ance Evaluating in Space Environment Laboratory，b.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

Satellite high-voltage solar array has been appliedmore and more，but the on-orbitanomalies and failures of the satellite occurred sometimes，becauseof the charging effecton high-voltage solar array.Thispaper presenta defending film of satellite high-voltage solar array charging effect.This film can avoid the charging effect，by preventing the interaction between solar array and space plasma.The structure of this film is ITO/HMDSO/transparent film，transparent conductive of the film ismore than 90%.The charging effect protection ability of this film has been tested，the results proved the film would avoid the charging effect，when high-voltage solararray fly in the LEO environment.

high-voltage solararray；charging effect；defending film

O484；TM 914.4

A

1006-7086（2016）01-0035-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.008

2015-10-26

史亮（1979-），男，甘肅平?jīng)鋈耍こ處煟T士，從事空間環(huán)境效應評價與防護技術(shù)研究。E-mail:8269122@qq.com。