低軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣靜電放電研究

聶 海，楊湛林，寇 韻，李 進(jìn)，肖 瑾

（上?？臻g電源研究所，上海 200233）

0 引 言

低軌衛(wèi)星的處于大量空間粒子軌道環(huán)境里，為一個(gè)等離子體空間，其高壓太陽(yáng)電池電路將與等離子體作用而產(chǎn)生靜電放電（ESD）。太陽(yáng)電池陣由于其電池片結(jié)合處的作用會(huì)產(chǎn)生靜電放電效應(yīng)，靜電放電會(huì)誘發(fā)高壓電池串間的二次電弧，造成太陽(yáng)電池陣損傷。一次放電持續(xù)時(shí)間短，而且能量較低，因此對(duì)太陽(yáng)電池電路及基板造成的損傷較少，而一次放電會(huì)進(jìn)一步引起二次放電，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣電路及基板受損甚至失效。

太陽(yáng)電池陣電路通過(guò)電池片的串接形成一定電壓，在串聯(lián)電壓超過(guò)一定值（70 V～80 V）時(shí)，有可能發(fā)生二次放電，持續(xù)放電可能導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣電路損失，最終影響電池陣的輸出功率。因此需對(duì)電池陣的開(kāi)展靜電試驗(yàn)，依據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)電池陣設(shè)計(jì)，降低靜電發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。本文敘述了測(cè)試時(shí)的靜電放電試驗(yàn)情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 太陽(yáng)電池陣靜電放電局部失效原因

太陽(yáng)電池陣的導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和空間等離子體三者結(jié)合的區(qū)域是靜電放電敏感區(qū)域。由于在空間軌道環(huán)境中，空間粒子的轟擊以及太陽(yáng)光照射產(chǎn)生的二次發(fā)射電子，太陽(yáng)電池單片外面的玻璃蓋片表面將發(fā)射電子，使太陽(yáng)電池單片外面的玻璃蓋片處于充電，形成一個(gè)正電勢(shì)，與此同時(shí)，太陽(yáng)電池陣基板的電位變化不大。當(dāng)太陽(yáng)電池單片外面的玻璃蓋片與太陽(yáng)電池陣基板之間的電勢(shì)差超過(guò)一定范圍時(shí)，積累造成的電勢(shì)差將在電池片蓋片及電池陣基板之間的放電通道發(fā)生放電，使得電荷中和。在真空環(huán)境下，金屬與非導(dǎo)體介質(zhì)結(jié)合部會(huì)引起弧光放電，導(dǎo)致ESD事件發(fā)生，放電時(shí)間較小，為微秒級(jí)，可能對(duì)太陽(yáng)電池單體造成輕微的損傷，這種在太陽(yáng)電池單片外面的玻璃蓋片和太陽(yáng)電池單片金屬連片之間產(chǎn)生一個(gè)高濃度的電勢(shì)中和稱為等離子體的一次放電。當(dāng)不同太陽(yáng)電池串之間由于工作狀態(tài)不同造成的電勢(shì)差高于一定電壓時(shí)，使得高電位的太陽(yáng)電池串部分電流在毫秒級(jí)的時(shí)間里流向低電位的太陽(yáng)電池串，形成一定時(shí)間的放電，稱為二次放電。二次放電可以是也可以不是持續(xù)式的放電；如果二次放電僅發(fā)生在一次放電時(shí)間內(nèi)，當(dāng)一次放電停止二次放電同步結(jié)束，這種二次放電為非持續(xù)放電；形成二次放電，其電能遠(yuǎn)高于一次放電，一般能夠維持毫秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間，稱為持續(xù)放電，當(dāng)放電通路產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)哪芰繒r(shí)，可能使太陽(yáng)電池電路之間或太陽(yáng)電池單片與太陽(yáng)電池的基板之間的材料產(chǎn)生熱解，熱解后留下一個(gè)低阻通路，太陽(yáng)電池串的電流則通過(guò)此低阻通路與太陽(yáng)電池基板及結(jié)構(gòu)形成一個(gè)閉環(huán)回路，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣電路的永久性短路。

文獻(xiàn)[1]表明二次放電的主要表現(xiàn)形式是弧光和發(fā)熱，損傷表現(xiàn)為對(duì)基板造成燒蝕甚至碳化，但是只有在發(fā)生持續(xù)放電的情況下才可能產(chǎn)生這種損傷，而發(fā)生非持續(xù)放電對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響微乎其微。

2 太陽(yáng)電池陣靜電放電試驗(yàn)

三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池產(chǎn)品采用帶隙調(diào)整鍺襯底上生長(zhǎng)小失配中頂電池技術(shù)，進(jìn)一步提升了吸收太陽(yáng)光的能力，平均光電轉(zhuǎn)換效率不低于32%，具有電流密度高，抗輻射能力強(qiáng)。一次閾值試驗(yàn)主要摸索太陽(yáng)電池電路發(fā)生一次放電的偏壓值，同時(shí)指導(dǎo)二次閾值試驗(yàn)接地偏壓的選取。二次閾值試驗(yàn)是為了測(cè)試太陽(yáng)電池串之間會(huì)引起二次放電，所需的最小電壓值，從而指導(dǎo)后續(xù)太陽(yáng)電池電路串聯(lián)和并聯(lián)設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)電池電路產(chǎn)品采用的疊層電池組件粘貼工藝、太陽(yáng)電池陣組件串聯(lián)焊接工藝、電路錫焊工藝等，按照《SC-3GA-4-30 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池4型80.0×40.0技術(shù)條件》中鑒定試驗(yàn)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行了相關(guān)溫度沖擊試驗(yàn)、帶電粒子輻照試驗(yàn)、恒壓反向偏置和反向偏置交變?cè)囼?yàn)、穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)、蓋片增益和太陽(yáng)吸收率、半球向輻射率試驗(yàn)，試驗(yàn)期間對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了性能測(cè)試和外觀檢查，太陽(yáng)電池電路輸出功率穩(wěn)定，無(wú)明顯變化，太陽(yáng)電池電路導(dǎo)通、絕緣情況正常，無(wú)焊點(diǎn)脫焊，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

2.1 放電試驗(yàn)電池參數(shù)

一次放電試驗(yàn)電池件為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，在基板上布貼5s3p的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件，采用32%效率電池，電池并聯(lián)間隙為2 mm。電池引出線為Raychem公司的55/0112-24-9宇航級(jí)導(dǎo)線，焊于每個(gè)組件輸出端，導(dǎo)線穿過(guò)基板后引出并與罐內(nèi)電纜相連，穿線孔處用硅橡膠固封?；宀扇?7.5 kΩ高阻接地（兩個(gè)75 kΩ電阻并聯(lián)），實(shí)物如圖1。

二次放電試驗(yàn)件有2個(gè)。試驗(yàn)件1尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件，并聯(lián)間隙為2 mm且間隙涂膠，通0.65 A電流，如圖2所示。試驗(yàn)件2尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件，并聯(lián)間隙為3 mm，通0.65 A電流，實(shí)物圖如圖3所示。電池引出線為Raychem 55/0112-24-9宇航級(jí)導(dǎo)線，焊于每個(gè)組件輸出端，且導(dǎo)線穿過(guò)基板至板后引出與罐內(nèi)電纜相連，穿線孔用硅橡膠固封?；宀扇?7.5 kΩ高阻接地（兩個(gè)75 kΩ電阻并聯(lián)）。

2.2 放電試驗(yàn)過(guò)程

一次放電閾值試驗(yàn)：真空罐抽真空，12 h真空脫氣然后打開(kāi)等離子體源并監(jiān)測(cè)等離子體環(huán)境參數(shù)，再將接地偏壓從-60 V起每1.5 h下調(diào)-5 V直至出現(xiàn)一次放電，結(jié)束試驗(yàn)。

二次放電閾值試驗(yàn)：真空罐抽真空，12 h真空然后打開(kāi)等離子體源并監(jiān)測(cè)等離子體環(huán)境參數(shù)，接著在太陽(yáng)電池串上通以650 mA電流，并在太陽(yáng)電池串串間加上50 V電壓（即在電阻R的兩端加以50 V電壓），再將接地偏壓從-110 V起，未出現(xiàn)一次放電每1 min下調(diào)接地偏壓-5 V，在50次一次放電后調(diào)節(jié)串間電壓，每次串間電壓升高5 V直至出現(xiàn)二次放電事件，停止試驗(yàn)。

太陽(yáng)能電池放電模擬的等離子體環(huán)境模擬設(shè)備實(shí)物圖見(jiàn)圖4示意。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

太陽(yáng)電池陣試驗(yàn)按照其理論最大短路電流進(jìn)行試驗(yàn)，其二次放電閾值略有下降。實(shí)際上單并太陽(yáng)電池在室溫、AM0光譜下的短路電流約為518 mA，即使考慮在軌最高工作溫度90 ℃、測(cè)試誤差、地球反照光、冬至最大日地因子等因素，其單并太陽(yáng)電池初期短路電流仍低于0.6 A（直照溫度按90 ℃，測(cè)試誤差按1.02、日地因子按1.034、地球反照光按1.05計(jì)算，其理論最大短路電流為594 mA）。

短路電流密度為17.2 mA/cm2，電池面積為30.15 cm2，最大短路電流計(jì)算如下：

為降低靜電放電造成的風(fēng)險(xiǎn)，太陽(yáng)電池電路理論上在一路TR載荷分陣供電、相鄰一路分流時(shí)，會(huì)在相鄰電池串正端位置出現(xiàn)最大68 V的壓差，該種情況僅在+X翼中板上有二處，在+X翼內(nèi)板上有三處，在+X翼中板上有二處，在+X翼中板上有三處，二次放電閾值遠(yuǎn)大于68 V的最大壓差，無(wú)靜電放電風(fēng)險(xiǎn)。而且，國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電流不小于1 A才能夠使二次放電持續(xù)進(jìn)行，形成持續(xù)放電PSA，并對(duì)太陽(yáng)電池電路造成損傷，太陽(yáng)電池電路每一并太陽(yáng)電池均獨(dú)立輸出，電流不超過(guò)0.6 A，因此不會(huì)發(fā)生持續(xù)性放電。

（1）一次放電試驗(yàn)過(guò)程正常，太陽(yáng)電池試驗(yàn)件一次放電閾值為-115 V；

（2）二次放電試驗(yàn)過(guò)程正常，太陽(yáng)電池試驗(yàn)件1在210 V未發(fā)生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯(lián)間隙2 mm，間隙涂膠，電流0.65 A）。

（3）二次放電試驗(yàn)過(guò)程正常，太陽(yáng)電池試驗(yàn)件2在210 V未發(fā)生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯(lián)間隙3 mm，電流0.65 A）。

兩個(gè)二次放電的試驗(yàn)件的二次放電閾值均不低于210 V，試驗(yàn)后試驗(yàn)件的外觀無(wú)異常，導(dǎo)通、絕緣均滿足要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)一次放電和二次放電試驗(yàn)的情況進(jìn)行了介紹，本次試驗(yàn)制備了兩種狀態(tài)的二次放電試驗(yàn)件，分別為并聯(lián)間隙2 mm、間隙涂膠試驗(yàn)件和并聯(lián)間隙3 mm的試驗(yàn)件，兩種試驗(yàn)件的二次放電閾值均不低于210 V，太陽(yáng)電池電路在軌工作時(shí)的實(shí)際壓差遠(yuǎn)低于該閾值，因此太陽(yáng)電池串間電壓低于210 V時(shí)無(wú)二次放電的風(fēng)險(xiǎn)。