高效四結砷化鎵太陽電池設計與在軌性能分析

張曉鵬，莊海孝，曹 燕，左 苗，張香燕，王巍巍，周進鋒

（1.北京空間飛行器總體設計部； 2.北京衛星環境工程研究所； 3.北京衛星制造廠有限公司：北京 100094）

0 引言

電源系統作為航天器能量來源，是航天器運行可靠性及壽命的主要影響因素。三結砷化鎵太陽電池是目前空間最常用的太陽電池。自20世紀90年代以來，以GaAs為代表的III-V族化合物半導體太陽電池成為光伏太陽電池領域中最活躍、最富成果的電池種類[1]。

得益于金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術的應用，對GaInP寬帶隙和InGaAs窄帶隙材料體系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生長等技術的發展，III-V族化合物半導體太陽電池的轉換效率有了很大的提高[2]；以空間應用為目標，采用反向生長多結（inverted metamorphic multi-junction,IMM）生長加襯底剝離技術制備的四結疊層電池逐漸受到重視。要實現該新型太陽電池系統在空間環境下的應用，首先需要通過在軌實驗來獲取其在軌測試數據，用來修正地面測試結果；同時，也要充分驗證新材料、新工藝、新方法的空間適用性[3]；并在實驗數據分析結果的基礎上，進一步優化和完善地面環境模擬的方法和手段，從而能夠更好地指導材料的選型和空間應用。

本文主要介紹對一種新型反向生長工藝四結砷化鎵太陽電池（IMM四結電池）開展在軌應用驗證的工作。此項工作屬國內首次，以期通過驗證IMM四結砷化鎵太陽電池的設計和在軌性能，證實四結太陽電池的效率優勢，積極推進其后續在軌工程應用。

1 高效四結疊層電池系統設計

1.1 結構設計

本文介紹并開展在軌實際環境飛行試驗驗證的高效四結疊層太陽電池的結構和物理模型[4-5]如圖1所示。IMM四結太陽電池由4個P-N結串聯而成，這4個結所用半導體材料的禁帶寬度分別為1.9、1.4、1.0、0.7 eV。采用這幾種能量帶隙材料的太陽電池能較充分地將太陽光中350～1800 nm波長范圍的光譜能量轉化為電能[6]。

由于材料特性的變化改善了4個子電池對太陽光譜的吸收與太陽光譜匹配，四結太陽電池的光電轉換效率均能達到34%[5]以上，相較于三結砷化鎵太陽電池有較大提升。圖2所示為本文介紹的四結太陽電池的結構。

圖2 四結太陽電池的結構示意Fig.2 Schematic diagram of the quadruple-junction array structure

為了獲得高效率的太陽電池，必須采用高電導率、高隧穿電流的隧穿結，因此需要增大隧穿結的摻雜濃度，并且解決由于高摻雜所帶來的一系列工藝問題[7]。在倒裝高摻雜的情況下，摻雜劑擴散問題較突出，因此需根據太陽電池的實際情況選用合適的隧穿結，從隧穿結摻雜、厚度和材料等方面對電池性能的影響進行綜合分析，用MOCVD設備進行倒裝多結III-V族半導體化合物太陽電池隧穿結的外延優化。

1.2 工藝設計

禁帶寬度為1.9、1.4、1.0、0.7 eV的4種半導體材料，其晶格常數有所差異，因此生長結構時采用反向生長工藝，外延生長完成后，在器件工藝中需要采用鍵合、剝離等工藝將外延結構倒置，才能實現四結太陽電池的功能。其鍵合、剝離過程如圖3所示[8]。

圖3 四結太陽電池鍵合、剝離過程示意Fig.3 Schematic diagram of the bonding and stripping process of the quadruple-junction array

與現有的空間用三結砷化鎵太陽電池相比，四結太陽電池采用了晶格失配材料（1.0 eV InGaAs和0.7 eV InGaAs），工藝實現上采用了如圖4所示的晶格失配反向外延生長、鍵合、剝離等新工藝[9]。與正向生長砷化鎵太陽電池相比，IMM四結太陽電池由于采用了光譜匹配設計，地面模擬光譜（AM0）條件下光電轉換效率獲得了10%左右的提升，但存在襯底剝離復用、鍵合工藝復雜、工序增加等成本因素[10]。

圖4 反向生長四結太陽電池工藝流程Fig.4 Flow chart of the process of IMM quadruple-junction array

2 試驗對象及測試系統

本文所介紹的IMM四結砷化鎵電池在軌環境試驗系統實物如圖5所示，電池的布片方案如表1所示。試驗系統由1個新型太陽電池試驗件（含多個太陽電池單片）和1臺太陽電池數據采集器組成。太陽電池數據采集器在不同軌道光照條件下，對新型太陽電池進行電性能測試和數據采集，以完成在軌電性能標定和實時的溫度監測。

圖5 在軌試驗系統實物Fig.5 Physical diagram of the in-orbit test system

IMM四結砷化鎵電池在軌環境試驗系統的原理如圖6所示，系統測試電路由2組具有完整四結結構的整電池和4組單結子電池組成，另有1個太陽入射角監測電路。其中，電路1為電壓采樣，直接測量電池開路電壓；電路2～電路6均為電流采樣，通過接入1個采樣電阻，測量電阻兩端電壓，以確定電池的輸出電流；電路7為參考電路，由16片Si太陽電池組成，用于對比太陽入射角變化、電池輻照衰降等對電池性能的影響，是后續數據處理的依據。

圖6 高效四結砷化鎵太陽電池試驗系統原理示意Fig.6 Schematic diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array test system

圖7所示為高效四結砷化鎵太陽電池搭載試驗測試電路框圖，其中所有的遙測參數都由太陽電池試驗件模塊產生，所有的遙測信號都通過導線輸送到太陽電池數據采集器內，由采集器對各遙測信號進行調理后，統一變換成0～5 V電壓信號送入A/D轉換器進行采集。

圖7 高效四結砷化鎵太陽電池試驗系統測試電路Fig.7 Circuit diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array

系統需要采集的太陽電池片關鍵電性能參數主要包括短路電流、開路電壓、工作電壓及太陽電池的溫度。參數的獲取方法如下：

1）短路電流：通過太陽電池片外接1個0.1 Ω的功率電阻來測量并近似推算獲得；

2）開路電壓：通過太陽電池片外接1個10 kΩ的功率電阻來測量并近似推算獲得；

3）工作電壓：通過太陽電池片外接1個10 Ω的功率電阻來測量并近似推算獲得；

4）電池溫度：通過在太陽電池片的背面粘貼熱敏電阻的方法來獲得，熱敏電阻兩端的溫度電壓信號通過導線引入星內的太陽電池數據采集器。

3 入軌試驗前的地面測試

在入軌前的地面測試階段，對IMM四結砷化鎵電池進行了熱真空試驗、力學試驗。在電池裝星后，力學試驗前后均利用地面模擬光源進行了光照試驗。結果表明，力學試驗前后各電路遙測通路均正常，數據一致性較好。且力學試驗后，試件狀態無變化，產品通過了力學試驗的考核。

在IMM四結砷化鎵電池片粘貼在基板上后，采樣電阻焊接前，測試了各電路的I-V曲線，獲得了如表2所示的典型參數。采樣電阻焊接后，采用太陽模擬器LAPSS II為組件提供光源，在AM0、25 ℃、1353 W/m2測試條件下，使用尼高力數據采集器測量各電路對應電阻兩端的電壓值，電壓測量值與理論計算值間的相對偏差＜4%，一致性良好。電池片布片、測試系統電路、采樣間隔均與在軌試驗設置相同。

表2 太陽電池片地面測試電路電性能參數Table 2 Electrical performance parameters of solar cell in ground test

4 在軌試驗過程及結果分析

4.1 試驗數據獲取

在軌試驗期間，高效四結砷化鎵太陽電池組件所在的位置在受到太陽光照射的時段內，入射角度為變化值（見圖8），測得整電池電流的輸出如圖9所示。其中圖9的橫坐標是高效四結砷化鎵太陽電池組件在太陽光1個照射周期內的累計光照時長。

圖8 IMM四結砷化鎵電池1天內太陽入射角度變化Fig.8 Solar incident angle with respect to the IMM quadruple-junction array in a day

圖9 IMM四結砷化鎵電池1天內整電池電流變化趨勢Fig.9 Current variation of IMM quadruple-junction array in a day

為確保測試精度，避免入射角度對測試結果的影響，選擇太陽入射角在±30°范圍內的在軌測試數據為有效數據。為減小溫度測試誤差對試驗結果的影響，用于在軌遙測結果分析的數據需在溫度一致性較好的時間段內選擇數據點，來計算高效四結砷化鎵太陽電池的在軌性能。本文提供了IMM四結砷化鎵電池在2016年11月29日—2016年12月2日期間每天獲取的電池遙測電壓、電池溫度、太陽入射角等有效數據，參見表3。

表3 四結砷化鎵電池在軌遙測數據Table 3 Telemetric data of IMM quadruple-junction array

4.2 在軌試驗數據處理方法

為獲得高效四結砷化鎵太陽電池的在軌輸出電壓和輸出電流，在本試驗系統上還搭載了電壓、電流遙測2種測試電路。在軌數據處理方法如下：

電壓數據計算公式為

其中：V25 ℃為單體太陽電池在25 ℃溫度下的開路電壓；VPC-1為完整四結結構的整電池開路電壓采樣值；β為電壓溫度系數；T為太陽電池在軌實測溫度，℃。

電流數據計算公式為

式中：I25 ℃為單體太陽電池在25 ℃溫度下的短路電流；VPC-2為電路2電壓遙測結果；α為電流溫度系數；θ為太陽入射光相對太陽電池板的入射角。θ可以根據太陽入射角監測電路的在軌數據進一步計算獲得，

其余各子電池的電流數據可按照式(2)計算獲得。

4.3 在軌測量結果分析

根據表1和表3中的在軌遙測數據和電池溫度系數，利用式(1)～(3)即可計算出高效四結砷化鎵電池在25 ℃時的開路電壓、短路電流及各子電池電流，再對太陽電池片在軌光電轉換效率進行計算獲得其在軌性能數據，并與地面實測結果（參表2）進行對比，分析其差異性，結果詳見表4。

表4 四結砷化鎵電池在軌與地面電性能數據比對Table 4 Comparison of in-orbit and ground electrical performances of IMM quadruple-junction array

在軌遙測數據分析結果表明：IMM四結砷化鎵電池的在軌光電轉換效率為34.44%～34.79%，滿足不小于34%的技術指標要求；電池開路電壓3.321 V、短路電流密度15.76 mA/cm2，滿足技術指標要求；利用硅電池參數和式(1)～式(3)計算出的太陽入射角度與整星姿態推算出的角度相吻合，太陽入射角范圍在21.801°～22.495°之間，滿足太陽入射角在±30°范圍內的要求。各參數遙測數據與地面測試數據一致性較好，在軌標定總誤差最大為1.45%（電壓遙測誤差+溫度系數標準誤差+對日定向最大誤差+線路壓降誤差），滿足小于2%的指標要求。

5 結束語

本文介紹了空間用高效四結砷化鎵太陽電池的物理模型與結構，對其設計方法、工藝流程，以及在軌真實環境下的驗證方案與測試電路設計、遙測數據分析處理方法也都給予了較為全面的分析。在軌實測數據的計算處理結果表明，高效四結太陽電池開路電壓3.321 V、短路電流密度15.76 mA/cm2，與地面測試數據一致性較好。電壓、電流、溫度系數等參數的在軌測試誤差均小于2%，在軌遙測數據與地面測試數據的對比結果顯示，電壓遙測結果最大誤差不大于0.70%，電流遙測結果最大誤差不大于1.18%，電池實際在軌效率在34.44%～34.79%之間，顯著高于當前空間用三結砷化鎵太陽電池（4 cm2規格）30.5%的光電轉換效率。

國內首次開展的此項試驗工作獲得了高效四結太陽電池的在軌數據和關鍵性能指標實測值，突破對太陽電池僅能在地面進行電性能標定和估算太陽電池壽命末期功率輸出指標的局限性，填補國內缺乏在軌太陽電池電性能測試數據資料的空白，為高效率的空間砷化鎵太陽電池改進以及地面測試設備標定提供了數據支持。目前，該IMM四結砷化鎵太陽電池已初步實現產品化并應用于多個航天器。后續將進一步積累在軌試驗數據，通過對比光譜響應獲得一定劑量輻照后不同子電池的衰減情況，對其輻照效應、空間粒子等環境進行綜合研究，準確表達IMM四結砷化鎵太陽電池的空間環境損傷效應，并驗證太陽電池長期在軌輸出穩定性和長壽命性。