LEO航天器太陽電池陣激光誘導電弧放電試驗與分析

尉德杰 朱立穎 武建文 劉業楠 王志浩 王思展 聶翔宇 杜嘉余

(1 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)(2 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(3 北京衛星環境工程研究所,北京 100094)

激光輻照太陽電池串間激發等離子體從而誘導放電,是等效太陽電池陣在低地球軌道(LEO)等離子體環境、地球靜止軌道(GEO)電子環境等工況下的放電試驗的一種方法,成為研究太陽電池陣充放電試驗的一種新型手段。同時,太陽電池陣作為航天器的主要能量來源,其大面積展開工作的特點極易受到激光輻照損傷,嚴重威脅航天器的可靠運行和安全[1-3]。太陽電池陣在LEO等離子體環境下會產生充電效應,形成反向電位梯度,容易發生靜電放電并引起串間二次放電[4-7],因此當納秒脈沖激光輻照太陽電池陣串間產生高濃度的等離子體后極易誘發串間電弧放電,造成激光輻照熱效應損傷和電弧放電引起二次損傷的疊加。

目前,關于激光輻照對太陽電池的損傷研究主要有連續激光輻照損傷和脈沖激光輻照表面損傷。對于連續激光輻照損傷效應,文獻[8]中采用1070nm連續激光開展n-on-1模式三結砷化鎵(GaAs)太陽電池輻照效應試驗,探究了激光誘導太陽電池短路或電流增大現象與機理,結果顯示短路電流增加的原因是激光導致限流層并聯電阻減小,使其限流失效。文獻[9]中對比分析1070nm連續激光在空氣和真空中對三結GaAs的損傷效應,發現三結GaAs太陽電池的底電池最容易受到破壞,且在真空中比空氣中更容易受到損傷。關于脈沖激光輻照損傷效應,文獻[10]中研究了波長532nm、頻率為20ns及300ps脈沖激光對太陽電池的輻照效應,對比分析了不同類型激光的損傷機理,得出脈沖激光對太陽電池的破壞主要是熱效應損傷。文獻[11]中首次采用飛秒超短脈沖探究對硅太陽電池的損傷閾值,發現與相同波長的連續激光相比,飛秒激光的損傷閾值略高。上述研究主要集中于激光對太陽電池片的熱效應損傷,而激光誘導太陽電池串間放電特性及造成的疊加損傷未見報道。激光誘導太陽電池陣放電電弧,涉及等離子體的產生包括激光與材料作用、激光與等離子體作用和等離子體相互作用,是一個極其復雜的非線性物理過程,采用試驗研究激光誘導太陽電池陣電弧放電特性及損傷作用,對于激光防護及太陽電池陣設計具有很高的工程實際意義。

本文針對納秒脈沖激光誘導太陽電池陣串間放電,結合太陽電池陣在LEO等離子體環境中空間電弧放電理論,對LEO空間環境下脈沖激光誘導放電機理進行分析。采用空間放電模擬試驗系統,對LEO等離子體環境下太陽電池陣的放電進行試驗測試,探究空間環境下施加納秒脈沖激光前后的放電特性,并對比分析空間環境下太陽電池陣串間放電、納秒脈沖激光輻照太陽電池表面和納秒脈沖激光誘導太陽電池陣電弧放電3種工況下的損傷效應,可為航天器太陽電池陣放電試驗的措施及試驗參數選取提供參考。

1 激光誘導太陽電池陣放電機理分析

當激光功率密度達到一定值時,輻照靶材會產生一定濃度等離子體,其作用過程可以大致分為升溫、熔融、氣化、形成等離子體4個階段,如圖1所示。當激光輻照到靶材時,靶材吸收激光能量使其溫度迅速升高,由于作用時間較短,熱傳遞較慢,在蒸發、材料膨脹和相爆炸等不同物理機制作用下,材料會迅速熔化和氣化,并脫離靶體;當激光強度超過材料的光學擊穿閾值時,脫離的材料會繼續吸熱,從而電離形成等離子體。

圖1 激光等離子體產生過程

LEO等離子體環境具有低溫稠密的特點,等離子體溫度為20000～30000K,密度高達1×1010～1×1012m-3,航天器結構體與等離子體相互作用,充電電位可達上百伏至上千伏[12]。采用納秒脈沖激光輻照太陽電池陣串間誘導串間放電機理可總結如下。

(1)充電效應使太陽電池陣負端結構體相對于空間等離體子懸浮于較高的負電位,且空間環境等離子體密度較高,高壓太陽電池陣工作時太陽電池陣串間存在一定的電勢差,因此形成了惡劣的放電環境。

(2)當納秒激光輻照太陽電池串間時,產生高濃度的等離子體,形成串間電弧放電的耦合通路,在較大的電勢差和空間等離子體環境綜合作用下,發生電弧放電現象。

(3)太陽電池陣串間電弧放電能量由電源和空間分布電容共同提供,因此放電能量較大,嚴重破壞太陽電池陣的絕緣層,甚至使太陽電池串與基板之間的室溫硫化硅橡膠(RTV)和聚酰亞胺膜熱解碳化,形成低阻通路,發生短路現象,從而使太陽電池陣部分燒毀或整體失效。

2 試驗系統

試驗系統如圖2所示,采用真空罐+等離子體源的方式模擬LEO環境,太陽電池樣件(見圖3)固定于真空罐內的支架上,通過法蘭盤與外電路連接,在罐內安裝等離子體探針以實時監測內部等離子體密度,同時使用相機對試件拍攝以觀察放電電弧位置。試驗系統具體參數如表1所示。光束通過真空罐的玻璃舷窗垂直照射三結GaAs太陽電池樣件表面,經試驗測量,激光光束能量透過玻璃舷窗后衰減約15%。太陽電池樣件采用3×2的三結GaAs太陽電池,樣件電池串P1N1和P2N2的串間距為1mm,玻璃蓋片厚度為0.09mm,電池片之間通過銀互連片連接,并使用RTV膠固定于鋁蜂窩基板上。

表1 試驗系統參數

圖2 試驗系統

圖3 太陽電池樣件

試驗電路見圖4,采用恒流源I1和電壓源V1來模擬航天器太陽電池供電,太陽電池樣件串聯于電路中,當電路接通時,工作在正偏置區,處于發光狀態,通過觀察即可判斷其是否正常工作。可變電阻RL用于模擬航天器負載,二極管D1,D2,D3用于保護電路中的器件。試驗時設置恒流源I1為0.6A,調節可變電阻RL,使負載兩端電壓為100V,即模擬空間負載母線電壓100V,并設置電壓源為99.5V,使正常工作時負載由電流源供電,當發生串間放電短路時,負載由電壓源供電。虛線框中偏壓電路模擬航天器的帶電現象,通過改變Vb實現不同帶電情況的偏壓模擬,Rb為Vb的限流電阻,起保護作用。電容C1,C2,C3為太陽電池陣的補償電容,C1為太陽電池串間補償電容,C2和C3為夾層補償電容。CP1～CP3為霍爾電流傳感器,用于檢測電路中的電流變化。當正常工作時,電流I1經二極管D1流入上電池串P1N1、負載RL和下電池串P2N2,最后回到電流源I1;此時,CP1～CP3均可檢測到正常工作時的電流,并且電壓源V1兩端電壓低于負載兩端電壓,因此電壓源V1處于不工作狀態。當上電池串P1N1和下電池串P2N2之間發生串間放電時,串間短路,此時電流I1經二極管D1后流入P1端,然后經放電通道回到N2端;此時,RL兩端電壓低于電壓源V1,因此電壓源V1為負載RL供電,而電流源I1的電流則全部流向放電位置。

圖4 試驗電路

3 試驗結果及分析

為了分析激光誘發太陽電池陣放電特性,進行LEO等離子體模擬環境下有無激光輻照2種工況下的太陽電池陣放電試驗,通過改變脈沖激光束的能量大小可測得產生放電的脈沖激光能量閾值。同時,為了比較激光直接輻照太陽電池玻璃蓋片表面與激光輻照串間誘發放電造成的損傷程度,進行不同輻照位置的對比試驗。

3.1 2種不同工況的電弧放電特性

通過一次放電試驗可得放電偏壓閾值約為190V,為了更好地模擬試驗放電現象,本次試驗選擇220V偏壓和50nF電容,此時可觀察到較好的放電現象和電流波形,測得電流波形如圖5所示。正常工作時,CP1～CP3支路的電流均為工作電流0.6A;當太陽電池樣件上電池串P1N1和下電池串P2N2發生串間放電現象時,CP1和CP3支路電流增大,串間發生短路,維持時間約為20μs,此時CP2支路電流為零,電流源I1不再給負載供電,全部流向放電燃弧位置。由于有保護二極管的作用,電壓源V1給負載供電。當放電結束后,CP1～CP3支路恢復到正常工作電流,此時由于負載正常工作電壓略高于電壓源V1電壓,因此電流源I1恢復給負載供電,電壓源V1則處于待供電狀態。因此,可通過CP1～CP3支路電流工作狀態判斷是否發生串間放電現象。為了對比分析LEO環境施加激光誘導條件后的影響,在相同的LEO等離子體環境下進行施加納秒脈沖激光誘導的串間放電試驗。通過調節脈沖激光輻照能量可得,當激光輻照誘導太陽電池串間放電的能量閾值約為4.25mJ時,輻照功率密度為1.08×108W/cm2,測得放電電流波形如圖6所示。在2種工況下各進行20次有效試驗,試驗數據統計結果如表2所示,定義放電電流持續時間為電流峰值的上升沿10%到下降沿10%,上升時間為電流峰值的10%～90%。

表2 試驗結果

圖5 LEO等離子體環境下太陽電池串間放電電流波形

圖6 納秒脈沖激光誘導放電電流波形

結合圖5、圖6和表2可得:增加激光誘導前后放電電流波形相似;但增加激光誘導條件后,放電電流持續時間由13.9μs增加到16.68μs,增加了20%,而上升時間則由5.91μs減小到5.02μs,因此激光誘導放電電流在峰值附近持續時間更長,造成的危害更大。經分析,主要原因是納秒脈沖激光的功率密度高,輻照太陽電池串間時可以產生高濃度的等離子體,為串間放電提供了較好的耦合通路。同時,在試驗中發現,在LEO等離子體環境下,發生放電的頻率約為1.6次/分鐘,而增加激光誘導后,每次施加脈沖激光發生放電的概率約為60%,大大增加了太陽電池陣放電的風險。

3.2 太陽電池樣件損傷分析

對LEO等離子體環境下太陽電池串間放電試驗后的樣件進行放大觀察,使用金相顯微鏡放電165倍后(如圖7所示),觀察到對角串間有明顯的燒蝕痕跡,且上下對角燒蝕面積約為0.243mm2和0.820mm2,對絕緣層造成了一定的破壞,但此時并未發生短路,太陽電池陣仍可正常工作。

圖7 LEO等離子體環境下放電后放大165倍觀察結果

納秒脈沖激光輻照太陽電池陣造成的損傷有2種形式:①納秒脈沖激光直接輻照太陽電池片表面造成的熱應力損傷效應。納秒脈沖激光的功率密度較高,在短時間內可在太陽電池片表面積累巨大的能量,由于短時間不能將能量傳導出去,因此會出現局部高溫現象,造成巨大的溫度梯度,從而產生熱應力,再加上太陽電池片蓋玻片和GaAs材料屬于脆性材料,塑性區窄,很容易對太陽電池片造成破裂損傷,導致蓋玻片破裂或PN結失效。②納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發太陽電池陣放電,造成的損傷是激光輻照熱應力損傷與放電電弧燃燒造成二次損傷的疊加。常見的損傷有破壞絕緣層、造成PN結短路、太陽電池與基板短路或串間短路,使太陽電池陣輸出功率大幅衰減,嚴重時可產生永久電弧,直至整個太陽電池陣燒毀,失去供電能力。

針對納秒脈沖激光造成的2種不同損傷類型,在進行激光誘發放電試驗時改變激光輻照位置,進行對比。能量為4.25mJ的脈沖激光連續輻照3次(間隔約1 s)太陽電池片表面,造成太陽電池片熱應力損傷,圖8為使用金相顯微鏡放大165倍觀察到的結果。可以看到:太陽電池片表面有明顯的熔融痕跡,直徑約為1.1mm,略大于激光光斑直徑。圖9為1號和6號電池串間放大圖。可以看出:串間不同部位均有明顯的放電燒蝕痕跡,嚴重破壞了絕緣層。結合圖10可得,1號電池片蓋玻片表面有多處明顯的熱應力導致的碎裂情況,且在通電情況下碎裂處不發光,即熱應力損傷造成了PN結斷路失效。6號電池片在通電情況下不再發光,主要原因是在試驗過程中脈沖激光誘發串間放電,引起放電電弧造成二次損傷,與脈沖激光輻照產生熱應力損傷疊加,造成6號電池片邊緣部分發生了PN結短路失效,導致整個6號電池片無法正常工作。比較LEO空間環境串間放電、納秒激光輻照太陽電池陣表面和納秒脈沖激光誘導放電3種工況下造成的損傷,結果為:納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發放電破壞絕緣層最嚴重,且極易造成太陽電池片中部分PN結短路失效,其損壞程度遠遠大于空間環境串間放電燒痕損壞和蓋玻片表面熱應力損傷造成的PN結斷路失效。因此,進行航天器太陽電池陣防護設計時,需要著重考慮高功率密度脈沖激光誘導放電的影響。

圖8 放大165倍的表面熱效應損傷

圖9 激光誘導放電后串間放大圖

圖10 激光誘導放電試驗后太陽電池通電工作圖

4 結論

本文基于LEO高壓太陽電池陣電弧放電理論,對納秒脈沖激光誘導太陽電池串間電弧放電機理進行分析,試驗研究了空間環境太陽電池串間電弧放電與納秒脈沖激光誘導電弧放電的特性變化,對比分析了不同工況下太陽電池陣損傷效應,得出結論如下。

(1)納秒脈沖激光誘導太陽電池串間電弧放電是因為納秒脈沖激光功率密度較高,輻照串間可以產生較高濃度的等離子體,在空間等離子體環境和串間電勢差的綜合作用下可以誘導太陽電池串間電弧放電現象。相比于空間環境下太陽電池陣電弧放電,放電平均持續時間增加了20.0%,且每施加1次納秒脈沖,激光誘導電弧放電發生的概率約為60%,大大增加了太陽電池陣放電的風險。

(2)對比分析不同工況下的損傷效應發現:納秒脈沖激光輻照太陽電池串間誘發放電破壞絕緣層最嚴重,且極易造成太陽電池陣中部分PN結短路失效,其損壞程度遠遠大于空間環境串間放電燒蝕損壞和蓋玻片表面熱應力損傷造成的PN結斷路失效。

(3)LEO等離子體環境下激光誘導太陽電池陣電弧放電的功率密度閾值約為1.08×108W/cm2,可為空間激光器的功率設計提供一定的參考;同時,激光誘導放電對太陽電池陣的損害程度更高,進行航天器太陽電池陣防護設計時,應著重考慮對高功率密度脈沖激光的防護。