空間三結砷化鎵太陽電池的激光防護研究

蘇 彬，張 琦，張 偉，尋 薇

(1.中國電子科技集團有限公司第十八研究所，天津 300384；2.中國空間技術研究通信與導航衛星總體部，北京 100094)

太陽電池陣能夠將太陽光能轉化為可利用的電能，是絕大部分航天器的唯一能量來源，對航天器的壽命有決定性作用。目前空間中太陽電池陣上使用的太陽電池主要是三結砷化鎵電池，從表面到基板分別是GaInP2/GaAs/Ge 結構。三結砷化鎵太陽電池具有轉化效率高、耐高溫、抗輻照能力強等優點，一般來說，為了進一步提高太陽電池的抗輻照能力，需在太陽電池表面加固抗輻照玻璃蓋片[1]。激光是人類的重大發明，具備高亮度、高單色性、高方向性和高相干性的特點。隨著激光技術的發展，激光在空間中的應用變得廣泛。激光在帶來便利的同時也帶來了一些隱患，比如高能激光會燒蝕材料，不恰當使用或者意外情況下激光可能會對傳播路徑上的物體造成損傷[2]。太陽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，一旦太陽電池陣遭受激光不可恢復的損傷，航天器便失去了能量來源，無法繼續發揮作用。因此，面對空間激光環境，應對航天器進行激光防護，重點是太陽電池陣的激光防護。

本文簡述了太陽電池激光輻照效應的研究進展，通過實驗探討了1 064 nm 激光對空間三結砷化鎵太陽電池的輻照損傷情況；對抗輻照玻璃蓋片的減反射膜結構進行了改善，使其具備對1 064 nm 光的高反射能力，從而實現對1 064 nm激光的防護；最后通過激光輻照實驗驗證了改善后的玻璃蓋片的抗激光效果。

1 空間激光與太陽電池

1.1 空間激光的應用

自20 世紀60 年代問世以來，激光技術得到了迅速發展，在科研、工業、醫療、通訊、軍事等眾多與人類生活和發展密切相關的領域中，都發揮著極其重要的作用。激光的應用已經不局限于地面，例如具備探測和通信能力的機載激光系統已經取得了重大研究成果，并且開始將成果推向至空間，也就是星載激光系統。與機載激光相比，星載激光最大的特點是無大氣和氣候干擾，傳播損耗小，因此在空間中可以充分發揮激光的優勢。首先是在探測方面，據美國宇航局(NASA)相關報道，無論是簡單的激光高度計還是復雜的激光雷達三維成像系統，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、星球環境監控的工作[3]。其次，激光是無線傳能的良好工具。人們曾經提出空間太陽能電站的概念，采集地球靜止軌道(GEO)上的太陽能，并將這些能量通過無線傳能的方式傳輸到航天器或地面，達到高效利用太陽能的目的[4]。激光具有很好的單向性，非常適合空間中的無線能量傳輸。另外，由于激光具有能量高的特點，一些發達國家準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線通訊，以及空域作戰[6]等?？梢哉f，空間激光的應用潛力和前景是巨大的。

1.2 空間激光對太陽電池的威脅

空間激光為科研和航天工程帶來便利的同時，也帶來了一些隱患。如果激光的瞄準出現偏差，或者載體航天器出現故障，又或者一些激光路徑上的太空碎片對激光有較強的反射或散射，會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境中的風險。航天器主要依靠太陽電池陣從太陽獲取能量，以完成航天任務。在缺乏有效防護手段的前提下，一旦太陽電池陣因激光輻照而產生損傷，很可能使航天器的壽命大大縮短，甚至在短時間內失效。

針對以上情況，為了明確激光對太陽電池的作用機理和損傷閾值，探索合適的防護手段，國內外已經開展了關于激光損傷太陽電池的實驗研究[7-8]。中國電科十八所也進行了相關工作，主要是硅和砷化鎵電池的激光輻照實驗，以獲得太陽電池的激光損傷功率密度閾值。圖1 展示了十八所進行的砷化鎵電池的輻照實驗結果，該電池在10 W 激光8 s 輻照下受到了損傷，出現穿孔，從局部圖中看出電池因燒熔而產生了鼓包式的變形。該結果說明激光對太陽電池存在較大威脅，對太陽電池進行激光防護是非常必要的。

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)

基于先前的研究經驗，本文進行了空間三結砷化鎵太陽電池的激光輻照實驗，研究了激光對太陽電池的輻照特點，提出了一種太陽電池抗輻照玻璃蓋片的改善方案，實驗證明蓋片經改善后，能夠有效地衰減激光能量，保護太陽電池不受激光損傷。

2 空間三結砷化鎵太陽電池的激光輻照效應研究

2.1 實驗參數和光路系統

通過激光輻照實驗，分析空間三結砷化鎵太陽電池的激光輻照效應。樣品為空間三結砷化鎵太陽電池，從上至下依次為抗輻照玻璃蓋片、蓋片膠、金屬柵線、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 激光進行實驗，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，在空間已有應用。具體的實驗光路如圖2 所示，激光從激光器出射，經過一個可以精準控制時間的快門和一個擴束系統，將激光光斑放大至略大于太陽電池尺寸的面積，再經過一個可調光闌，使輻照面積與電池大小相同。利用紅外測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。實驗采用固定輻照時間(20 s)改變輻照功率的方式，以找到不同功率密度的激光對空間三結砷化鎵太陽電池的不同損傷特征。該光路系統具有功率、輻照面積、輻照時間精確可調，溫度和電性能可以實時測量，數據記錄方式豐富等優勢，可滿足各類太陽電池的激光損傷實驗和激光防護性能測試的需求。

圖2 激光輻照實驗光路示意圖

2.2 實驗結果和分析

通過改變激光器輸出功率，進行了1～7 W/cm2功率密度的激光輻照實驗。圖3 所示為激光功率密度為6 W/cm2時記錄的太陽電池負載電壓和背電極溫度的實時變化，在記錄時間為20 s 時打開快門，激光輻照電池使電池迅速升溫，與此同時電池的負載電壓由于溫度的升高而下降，經過20 s 的輻照時間后，快門關閉，激光停止輻照電池，此時電池的溫度開始下降，負載電壓也逐漸恢復。從圖3 可以看出，在6 W/cm2的激光輻照下，太陽電池在溫度恢復至初始狀態時，負載電壓未完全恢復，說明激光對太陽電池造成了永久性的損傷。

圖3 負載電壓和背電極溫度隨時間的變化

圖4 為激光功率密度為2、4、6 W/cm2時輻照實驗后太陽電池的實物圖。從圖4 可以得知，激光功率為2 W/cm2時，輻照后的電池形貌無變化；激光功率為4 W/cm2時，蓋片膠中出現了一個氣泡，它是由于蓋片膠升溫汽化導致的；而激光功率為6 W/cm2時，一部分蓋片損壞，因為蓋片膠進一步汽化后使蓋片炸裂。圖5 繪制了這三個實驗后電池的I-V 特性曲線，激光功率為2 W/cm2時，與實驗前數據相比，電池的電性能沒有下降，說明20 s 時間內該功率密度不能對太陽電池造成損傷，只是在輻照時因為溫升使太陽電池的輸出電壓短暫下降；激光功率為4 W/cm2時，蓋片膠出現了汽化，但太陽電池的效率沒有明顯下降，說明電池的結構沒有受到損傷，不過蓋片膠的損傷可能會影響太陽電池抗粒子輻照的能力；激光功率為6 W/cm2時，圖3 的結果已顯示出電池電性能的改變，I-V 曲線也驗證了這一點，太陽電池的填充因子和開路電壓有了明顯下降。綜上，可以認為當激光的功率密度達到6 W/cm2時，輻照時間持續20 s，就能夠永久性地對太陽電池造成損傷。所以進行空間激光防護研究時，要盡可能控制輻照到太陽電池上的激光參數低于這組數值。

圖4 輻照實驗后的太陽電池

圖5 實驗后太陽電池的I-V曲線

3 太陽電池激光防護蓋片的研制

為了應對空間激光對航天器太陽電池陣的威脅，多種激光防護方法被提出，大致可以分為兩類，即主動防護和被動防護。主動防護是指航天器具備激光預警功能，當激光到達預警范圍內，航天器可以通過快速變軌等方式進行應對。被動防御則是激光輻照到太陽電池陣后，通過一些防護措施降低激光對電池陣的影響，具體方法包括高反射型激光防護膜、故障區快速隔離等。在太陽電池上加固高反射型激光防護膜，是太陽電池應對激光輻照的一種重要防護方法，防護膜將絕大部分激光以反射的形式耗散出去，使太陽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。激光防護膜可以大致分為有色玻璃、介質膜濾光片和相變膜濾光片[9]等，考慮到防護膜不能對太陽電池的發電效率造成過大的影響，有色玻璃和相變膜現階段并不適用，因此本文的工作根據介質膜濾光片的原理，對目前使用的抗輻照玻璃蓋片上的減反射膜系結構進行改善，使其對1 064 nm 的光具備高反射能力，而在其他的太陽光吸收波段仍起到減反的作用。

通過Macleod 軟件設計疊層結構，以玻璃為基底，根據傳統幾何光學的原理，采用厚度為四分之一波長的層結構，將不同折射率的介質堆疊，這樣制備的蓋片具有帶阻濾光的特性，能夠使防護波段的透射降低，其他頻段透射基本保持不變?？紤]到對太陽電池光電轉化效率的需求，在設計時要求膜系對400～950 nm 光的透射率達到95%以上，盡可能減少濾光片對空間三結砷化鎵太陽電池頂電結和中間結光吸收的影響。其次，為了起到激光防護的目的，要求結構對1 064 nm光的透射率小于10%，即90%以上的光被結構反射。設計完畢后，依照設計方案在抗輻射玻璃蓋片上蒸鍍介質膜疊層，制得激光防護蓋片樣品。利用分光光路計，對研制的蓋片的透射率進行測量，曲線如圖6 所示。由圖6 得知，在1 064 nm附近透射率曲線有一個明顯的透射率，最小透射率僅有5.9%，對應的反射率超過94%。而400～950 nm 的平均透射率高達95.7%，高于傳統的氟化鎂蓋片，滿足設計要求。將此蓋片粘貼到三結砷化鎵太陽電池上，對比前后的電池效率，與氟化鎂蓋片相比，激光防護蓋片造成的電池效率的相對衰降在5.5%左右。所以在盡可能降低電池效率衰降的同時，該濾波片能夠起到有效防護1 064 nm 激光的作用，可應用于現階段空間三結砷化鎵太陽電池的激光防護。

圖6 激光防護蓋片的透射率曲線

4 太陽電池激光防護蓋片的抗激光能力驗證

為了證明加固激光防護蓋片的太陽電池的抗激光能力，在圖2 的實驗平臺上，進行了加固電池的激光實驗。選擇9 W/cm2的1 064 nm 激光，對太陽電池進行20 s 的連續輻照。圖7 給出了玻璃蓋片封裝帶互連片的電池(CIC 電池)和加固激光防護蓋片的電池在激光輻照下的表現，普通CIC 電池不能承受高能激光產生的熱量，蓋片和電池均損壞，因燒蝕產生大量煙塵；而激光防護后的太陽電池在整個激光輻照過程中未出現任何明顯變化。實驗后對電池的電性能進行測試，結果如圖8 所示。未加固電池的電性能幾乎完全喪失，I-V 曲線呈直線狀，而加固電池與實驗前數據相比，沒有出現衰降。該結果充分說明了激光防護蓋片能實現高能激光防護，大幅提高激光損傷太陽電池的功率密度閾值，具備空間太陽電池激光防護的應用潛力。

圖7 普通CIC 電池(左)和加固激光防護蓋片的電池(右)的激光損傷實驗

圖8 實驗后普通CIC 電池和加固激光防護蓋片電池的I-V 曲線

5 結論

通過半個多世紀的研究，激光技術取得了長足的發展，其應用已經擴展到了空間領域。空間激光的應用給航天器的安全帶來了威脅，尤其是太陽電池陣，受到激光輻照后會出現溫度升高、電能輸出能力下降，甚至是不可恢復的永久性損傷。本文通過搭建激光輻照實驗平臺，得到了空間三結砷化鎵太陽電池在功率密度為6 W/cm2的1 064 nm 激光20 s時長的輻照下，電池蓋片炸裂、效率下降的結果，該結果說明了進行太陽電池激光防護的必要性。對抗輻照玻璃蓋片上的膜系結構進行改進，研制出一種針對1 064 nm 光的高反射蓋片，可以將激光能量衰減94%以上，同時造成的電池效率衰減在5.5%左右。最后在激光輻照實驗平臺上對加固激光防護蓋片的太陽電池進行抗激光能力驗證實驗，結果顯示研制的蓋片能夠提高激光的損傷閾值，起到激光防護的作用。