火星表面環境對太陽電池陣設計影響分析與對策

劉治鋼 王飛 陳燕 黃三玻 郭偉峰 林文立

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2上海空間電源研究所，上海 200233）

火星表面環境對太陽電池陣設計影響分析與對策

劉治鋼1王飛1陳燕1黃三玻2郭偉峰1林文立1

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2上海空間電源研究所，上海 200233）

通過調研與分析NASA火星表面探測任務獲取的火星表面光照、溫度、塵埃等數據，從光強、光譜、直射光與散射光等方面分析了火星表面光照條件對三結砷化鎵太陽電池伏安特性的影響，以及火星塵埃對太陽電池輸出功率的影響。從降低光譜失配和減小塵埃影響的角度，提出了火星光譜匹配太陽電池和太陽電池陣塵埃防護設計思路，以提升三結砷化鎵太陽電池在火星表面的發電能力和生存能力，可為我國火星表面探測任務太陽電池陣優化設計提供參考。

火星表面環境；太陽電池；光譜匹配；塵埃防護

1 引言

火星是與地球最近的類地行星，因此多個航天國家都極為重視對火星的探測。在過去數十年中，美國、俄羅斯、歐洲、日本及印度向火星發射了42次火星探測任務，成功或部分成功22次，其中4個著陸器成功著陸火星，4輛火星車登陸火星，獲得了關于火星大氣、土壤等大量科學數據。火星表面探測（著陸與巡視）是從微觀層面獲取火星表面氣候、大氣成分、土壤、巖石等科學數據的最直接方式。由于受到火星表面光照條件、大氣、塵埃等因素影響，探測器電源系統設計須要滿足苛刻的要求。目前，除美國2012年發射并成功開展巡視探測任務的好奇心號火星車采用同位素溫差發電器（RTG）外，其余著陸與巡視探測任務，如海盜號、“火星探路者”、“火星探索漫游者”（勇氣號、機遇號）和鳳凰號均采用太陽電池作為電源系統發電部件。為驗證火星表面光譜對太陽電池發電的影響，勇氣號和機遇號火星車通過攜帶光譜標定設備對火星光譜進行測量，獲得了火星直射光和散射光的測量數據［1］。通過測量火星表面光譜，NASA于2004年啟動了火星光譜匹配的火星優化太陽電池技術（Mars Optimized Solar－cell Technology，MOST）研究項目［2］，旨在優化太陽電池在火星光照條件下的性能，以更好地應用于火星表面探測任務。

本文通過分析NASA火星表面探測任務獲取的火星表面光照、溫度、塵埃等數據，提出火星表面探測任務太陽電池陣設計的影響因素，以及針對性的設計措施，可為我國火星表面探測任務電源系統設計提供參考。

2 火星表面環境對太陽電池陣影響因素分析

影響太陽電池陣輸出功率的主要火星表面環境因素包括太陽光強、光譜等光照條件，以及火星表面溫度、塵埃累積量等因素［3］。

2．1 光照條件

1）光強

火星上的平均太陽光強只有地球的0．43，目前國際上通常采用的地球軌道光強為1353W/m2，而火星運行軌道的平均光強為590W/m2。此外，火星的光強隨著與太陽的距離變化還會有±19%的波動，為493～717W/m2［3－4］。

2）光譜

到達火星表面的光譜受大氣和塵埃的影響，強度更弱，具體分布隨經緯度的不同而有所差異。相比地球軌道的AM0（表示大氣質量為0，即真空情況）光譜，火星光譜藍光段較弱，紅光和紅外光段較強。勇氣號和機遇號火星車攜帶了光譜測量儀，對火星表面光譜進行測量，結果如圖1所示［1］。研究結果表明：太陽光譜經過塵埃后，光譜透過率（光線通過火星大氣后的衰減情況）在藍紫光譜段數值小于在紅光及近紅外譜段，影響透過率的因素主要有介質的吸收與反射。火星表面的大氣成分主要有二氧化碳和塵埃，二氧化碳的吸收譜段主要在紅外譜段，在可見光譜段基本沒有吸收，由此可以推測出火星表面塵埃對光譜的調制作用更為顯著；另一方面，隨著太陽高度角（與水平面夾角）的減小，光譜透過率整體減弱，這主要是由于太陽光經過火星表面大氣的光程增加，氣體與塵埃對光強的衰減作用所致。藍紫光譜段光譜透過率的減小，將直接影響太陽電池片的結構設計。因此，針對AM0光譜開發的三結砷化鎵太陽電池，在火星表面光照條件下的性能會發生變化，原本匹配的結間電流會出現失配，影響電池的輸出功率。假定在AM0光照條件下，多結太陽電池的各子電池的光電流是平衡的，那么在火星表面光照條件下，多結太陽電池中的頂電池將具有最小的光電流，進而限制整個電池的電流。NASA根據“火星探索漫游者”測得的光譜進行試驗，結果見表1［1］。可見，在模擬火星光譜條件下，三結砷化鎵頂電池（鎵銦磷，GaInP）電流的損失最大，而且損失系數與太陽高度角也有一定關系，當太陽高度角較小時，性能衰減更為嚴重。例如，在34°太陽高度角時，三結砷化鎵頂電池電流僅為標準值的86．2%，損失了13．8%，而三結砷化鎵中電池（砷化鎵，GaAs）電流變為標準值的102．8%，增加2．8%，因此頂電池和中電池電流的失配度將達到16．6%。

3）直射光與散射光

受火星大氣中塵埃的多次反射作用，最終到達火星表面的光照可以分為直接光照（直射光）和間接光照（散射光）。即使最好的塵埃條件下（光深約為0．2），在火星表面接收到的總光照中，散射光約占50%。圖2為勇氣號在波長為400～1000nm處測得的散射光與直射光對比情況［1］。可見，光深約為0．93時，在長譜段和太陽高度角較小處，散射光所占比重較大，甚至可能超過直射光。粒子對光線的散射作用主要包含瑞利散射、米氏散射等。對于瑞利散射，散射強度與波長的4次方成反比；對于米氏散射，散射強度與波長的2次方成反比。也就是說，均呈現散射強度隨波長的增加而減小的趨勢，進而影響太陽電池對不同譜段太陽光的吸收率。

2．2 溫度

火星表面溫度受海拔高度、季節、每日具體時刻以及自身的表面性質影響。火星自轉周期約為24h37min，與地球大體相同。大氣對火星起到一定的保溫效果，在0°～30°緯度范圍內，火星表面溫度白晝最高為＋27℃，夜晚最低為－103℃［3－4］。從機遇號實測太陽電池陣溫度（見圖3［5］）可以看出：最高溫度范圍為－16～＋30℃，出現在春分點至夏至點之間；最低溫度范圍為－115～－60℃，一般在火星日早晨測得，因此隨季節無明顯變化。

太陽電池陣的輸出電壓、輸出電流與溫度密切相關，通常對于三結砷化鎵太陽電池，溫度對輸出電壓的影響系數為－6．5～－7．2mV/℃，對輸出電流的影響系數為0．006～0．014mA/（cm2·℃）。假設在40℃，0℃，－20℃溫度點時的光強及入射角相同，太陽電池在－20℃時的最大輸出功率比40℃時的超出約15%。

2．3 塵埃

大氣中塵埃的數量可以由光深參數量化。海盜號的光深在0．4～3．0變化，典型值為0．5。“火星探路者”在100h測量時間內，光深變化為0．4～0．7［6］。勇氣號和機遇號的太陽電池陣發電量及光深、塵埃因素如圖4所示。勇氣號在火星的第1周，光深約為0．91（藍光，440nm）和0．95（紅光，980nm）；而機遇號的第1周光深約為0．93（藍光，440nm）和0．95（紅光，980nm）。在任務初期，光深一直處于良好狀態，在冬季時最低可達0．2。

受火星表面塵埃、遮擋等因素影響，火星車的太陽能利用效率降低。以勇氣號、機遇號為例，NASA最初曾預估太陽電池陣在壽命初期（每天正午前后4h內）的平均輸出功率為140W，而壽命末期，在電池板塵埃覆蓋、火星上太陽光減弱、季節變換、太陽電池老化的共同作用下，輸出功率降為50W。在實際工作過程中，勇氣號、機遇號每天供電能力為300～900W·h，光深較小時輸出功率相對較大，光深較大時輸出功率下降較為明顯。從勇氣號在第568個火星日和第1358個火星日的塵埃覆蓋情況（見圖5），并對照圖4的發電量數據可以看出：圖5（a）所示的塵埃覆蓋較少時（光深約為0．5），發電量約為900W·h；圖5（b）所示的塵埃覆蓋嚴重時，發電量僅約為350W·h。表2為勇氣號和機遇號的光深與發電量統計。

圖4 勇氣號和機遇號的太陽電池陣發電量及光深、塵埃因素Fig．4 Solar array energy，light depth and dust factor for Spirit and Opportunity

圖5 勇氣號太陽電池陣被塵埃覆蓋情況Fig．5 Solar array covered with dust for Spirit

表2 勇氣號和機遇號的光深與發電量統計Table 2 Light depth and solar array energy for Spirit and Opportunity

2．4 其他因素

其他因素主要包括空間粒子輻照、帶電塵埃、著陸沖擊、巡視期間路面不平度引起的力學振動等。

空間粒子輻照對太陽電池陣的影響，主要是輻照總劑量對性能衰降的影響和帶電粒子引起表面放電的影響。在整個任務期間，由于原子氧對火星探測器的影響較小，主要輻射來源于太陽宇宙線、銀河宇宙線，輻照環境與月球探測器相似。

火星塵埃帶電的主要原因是：在紫外射線和宇宙射線作用下會使塵埃帶上正電荷；另外，運動的塵埃在與大氣摩擦中也會帶上電荷。如果太陽電池陣表面具有很高的電位，將會吸引帶有異性電荷或中性電荷的塵埃。帶電粒子一方面可能增加太陽電池玻璃蓋片對塵埃的吸附作用，進而影響太陽電池陣的輸出功率；另一方面，可能導致局部電荷累積，嚴重時將導致局部靜電放電現象。

3 太陽電池陣設計措施

與火星環繞探測［7］不同，由于火星表面具有塵埃環境特殊、光深較大以及光譜紅移的特點，常規三結砷化鎵電池很難最大化地利用火星表面太陽光，因此須要對火星探測器上的太陽電池陣進行相關設計。主要措施歸結為2類：①適當改變三結砷化鎵電池的內部物理結構，以調節其光譜響應；②對太陽電池陣表面進行防塵設計，以減少塵埃覆蓋對太陽電池陣輸出功率的影響。

NASA在火星初始探測階段，并未對太陽電池進行特殊設計，沿用了常規空間應用的三結砷化鎵電池技術與產品，如勇氣號與機遇號火星車。在利用先期探測器獲知火星光譜光深大、藍光光譜強度相對減弱等特性后，啟動了MOST項目，對火星探測器太陽電池開展優化設計工作［2］。美國噴氣推進實驗室（JPL）及光譜實驗室（Spectrolab）聯合進行該項研究，為了模擬火星不同緯度的光照條件，共研制了2套濾鏡，一套用于模擬0°～30°緯度光譜，另一套用于模擬60°緯度光譜（接近極區）。針對60°緯度光譜，在AM0通用電池的基礎上研制了2種改進型電池（B型、C型）。試驗結果（見表3）表明：優化后的電池在轉換效率和功率上均有所提升，其中C型電池較AM0通用電池可以提升3%～8%。這意味著，若采用優化電池，勇氣號和機遇號在火星上的發電量可以分別由250W和350W提高到270W和380W［8］。

3．1 火星光譜匹配太陽電池設計

三結砷化鎵太陽電池在結構上由3個子電池串聯而成，在伏安特性方面表現為3個電流源串聯，如圖6所示。各子電池有選擇性地吸收和響應不同的太陽光譜段，整體電池電壓是子電池電壓之和減去隧穿結電壓；整體電池電流滿足連續性原理，流經各子電池的電流相等，輸出電流受限于各子電池光電流最小者，因此三結砷化鎵電池應盡可能實現各子電池的電流相等，減少電流損耗。三結砷化鎵電池各子電池電流由材料帶隙和吸收系數決定，底電池（鍺，Ge）產生的光電流最大，約是頂電池或中電池的2倍，對整體電池電流沒有限制作用，因此整體電池的輸出電流由光電流較小的頂電池或中電池決定。可見，提高三結砷化鎵太陽電池的性能，主要是優化頂電池和中電池及其電流匹配度。

常規空間應用的三結砷化鎵電池已基本實現AM0光照條件下頂電池與中電池的電流匹配，而火星光譜中紫光光譜的減弱會使頂電池成為電流輸出瓶頸，限制整個電池的電流，因此火星用太陽電池的優化工作將主要針對三結砷化鎵電池的頂電池（紫光響應）展開，主要優化方向為帶隙及吸收層厚度。可采取的措施包括：

（1）降低頂電池和中電池的帶隙。為更好地匹配AM0光譜，對當前空間應用三結砷化鎵太陽電池的頂電池和中電池的帶隙都進行了優化，在滿足材料晶格匹配的前提下，可基本實現頂電池與中電池的電流平衡。不過，在火星表面，太陽光經過大氣和塵埃的散射與吸收作用后，藍紫光譜段的能量衰減大于紅光譜段，這將直接導致頂電池的光電流小于中電池，且會進一步增大與底電池的電流差值。在保證晶格匹配性較好的前提下，通過適當降低頂電池和中電池（尤其是頂電池）的材料帶隙，使吸收邊的紅移保證頂電池和中電池的電流平衡，從而有利于提高電池整體電流的輸出能力。

（2）降低頂電池和中電池的電流失配度。在擴大電池光譜吸收范圍、提高光能整體利用率的基礎上，通過調節和均衡分配頂電池和中電池的電流，降低結間電流失配度，實現電池電流輸出的最大化。

圖6 三結砷化鎵太陽電池伏安特性示意Fig．6 V－I of 3－triplejunction GaAs solar cell

3．2 塵埃防護設計

火星塵埃對太陽電池的影響主要表現在2個方面：①火星塵埃沉積在電池表面并不斷積累，增大光深，降低太陽光的透過率，使太陽電池工作環境的光譜發生改變，進而導致其輸出功率下降；②火星塵埃粘附于太陽電池表面，改變了電池表面的熱物理性能，從而導致電池溫度升高和性能降低。因此，如何及時、有效地去除太陽電池表面覆蓋的大量塵埃，保障其高效率的工作，已成為亟需解決的問題［9］。目前，主要可采用的除塵技術包括主動除塵方式和被動除塵方式，按照工作原理又可細分為6種，其特點如表4所示。在實際應用中，可根據任務需求及質量、體積等任務約束進行選擇。

表4 可用于太陽電池陣的除塵技術特點Table 4 Dust－cleaning technology characteristics for solar array

4 結論與建議

通過對火星光照條件、溫度、塵埃等表面環境調研，從火星表面探測任務需求出發對探測器太陽電池陣設計進行分析，可以得出結論如下。

（1）由于火星大氣與塵埃對太陽光中藍紫光的散射及吸收更為嚴重，太陽光譜譜型向長譜段偏移，導致AM0通用三結砷化鎵太陽電池各子電池所產生的光電流發生變化，尤其降低了頂電池的輸出電流，而且使頂電池和中電池電流的失配度增加，從而使三結砷化鎵電池在火星光譜下的光電轉換效率降低。

（2）火星表面溫度變化范圍在－110～＋30℃，而且隨火星表面季節、緯度、當地時間、海拔等因素變化，因此要求太陽電池具備在寬溫度范圍內正常工作的能力。

（3）火星塵埃主要影響太陽光透過率與光譜，通常情況下，火星冬季塵埃累積情況要少于夏季。在塵埃影響下，光深典型值范圍為0．2～1．0，塵暴情況下甚至可達4．0～6．0。

對于我國未來火星表面探測，對太陽電池陣和電源系統設計提出如下建議。

（1）針對火星光譜與AM0光譜差異，開展太陽電池火星光譜匹配改進設計研究，以提升在火星表面的發電能力。

（2）溫度對太陽電池輸出電壓影響較大，針對寬溫度范圍，一方面，在太陽電池串聯數設計時應充分考慮電壓隨溫度變化的范圍，并留有一定余量；另一方面，開展太陽電池峰值功率跟蹤技術研究，以提升寬溫度范圍太陽電池陣輸出功率的利用率。

（3）針對火星塵埃影響，應根據火星塵埃的不確定性，留有足夠的設計余量；應根據任務需求，開展火星塵埃防護設計。

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［9］袁亞飛，劉民，楊亦強．火星太陽電池翼除塵方法綜述［J］．航天器環境工程，2010，27（5）：604－606 Yuan Yafei，Liu Min，Yang Yiqiang．Dust removal techniques for Mars solar arrays［J］．Spacecraft Environment Engineering，2010，27（5）：604－606（in Chinese）

（編輯：夏光）

Impact Analysis and Solution of Solar Array Design in Martian Surface Environment

LIU Zhigang1WANG Fei1CHEN Yan1HUANG Sanbo2GUO Weifeng1LIN Wenli1
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2Shanghai Institute of Space Power－sources，Shanghai 200233，China）

The data of illumination，temperature and dust on Martian surface obtained by NASA’s several Martian surface exploration missions are investigated．The influences of solar intensity，spectrum，direct and scattered light on the V－I characteristics of triple junction GaAs solar cell and solar cell’s output power are analyzed．From the point of decreasing solar spectrum mismatching and diminishing the dust influence，a design scheme of Martian surface spectrum matching solar cell and dust mitigation is raised，which can improve the energy performance of the solar cell and survival probability on Martian surface．Furthermore，it may also be used as a reference for the solar cell optimized design for China’s Mars surface exploration mission．

Martian surface environment；solar cell；spectrum matching；dust mitigation

V442

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．007

2015－07－23；

2015－11－10

國家重大科技專項工程

劉治鋼，男，博士，高級工程師，研究方向為航天器電源系統總體設計。Email：bitlzg@163．com。