石墨烯膜實(shí)現(xiàn)超高壓太陽(yáng)電池陣的靜電防護(hù)

張 琦，蘭志成，崔新宇，張 偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

0 引言

在宇宙空間建立太陽(yáng)能電站是航天工程的一個(gè)重大目標(biāo)，是解決空間能源問(wèn)題的重要手段。太陽(yáng)能電站擬設(shè)置在地球同步軌道上，通過(guò)大面積的太陽(yáng)電池陣，將大量太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能。空間電站太陽(yáng)電池陣主要發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)輕量化、高效率和超高電壓，以滿足節(jié)約發(fā)射成本、減少電力傳輸距離、降低損耗的需求。因此，超高壓大功率的全柔性太陽(yáng)電池陣（由高效薄膜電池與柔性基板組成）將是空間電站太陽(yáng)電池陣的最佳選擇[1-2]。其中，超高電壓的好處是可以降低電流，從而減少傳輸損耗。而空間等離子體環(huán)境會(huì)使太陽(yáng)電池陣串間發(fā)生靜電放電致使太陽(yáng)陣電路損傷甚至失效[3-7]。超高壓的太陽(yáng)電池陣更易誘發(fā)靜電放電，現(xiàn)有的防靜電方法也無(wú)法有效地解決超高壓太陽(yáng)電池陣防護(hù)問(wèn)題。雖然不同于傳統(tǒng)剛性太陽(yáng)電池陣，全柔性太陽(yáng)陣一般采用整體封裝的方式，相比之下表面電勢(shì)差小，但在高壓條件下，這些非導(dǎo)電材料上堆積的電荷穿透表面材料到達(dá)柔性陣內(nèi)部，仍有誘發(fā)放電的可能性。

在超高壓條件下，如果能將太陽(yáng)電池陣表面用同一種材料完全覆蓋，并且覆蓋材料外表面具有一定的導(dǎo)電性能夠使表面電荷迅速導(dǎo)走，形成電荷泄放通道，實(shí)現(xiàn)表面近零電位，就能從根本上解決靜電放電問(wèn)題[8]。同時(shí)還要考慮覆蓋材料的透過(guò)率，以保證太陽(yáng)電池陣對(duì)太陽(yáng)光的吸收不受影響。因此表面覆蓋材料需要具有導(dǎo)電性好、透過(guò)率高的特點(diǎn)。并且對(duì)于全柔性太陽(yáng)電池陣，柔韌度也是需要考慮的一個(gè)指標(biāo)。

石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成，是最薄的二維材料，具有超薄、超柔、高比表面積等特性[9-11]。用單層石墨烯制成的膜系，在導(dǎo)電性、透過(guò)率均有優(yōu)勢(shì)[12-14]。從其特點(diǎn)上看，石墨烯透明導(dǎo)電膜適用于超高壓全柔性太陽(yáng)電池陣的靜電防護(hù)。基于化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)的方法，制備了單層石墨烯薄膜，并運(yùn)用于全柔性太陽(yáng)電池組件的表面封裝。在750 V 超高串間電壓的條件下，該太陽(yáng)電池組件在地面充放電試驗(yàn)中未發(fā)生放電現(xiàn)象，組件性能未發(fā)生衰降。該結(jié)果驗(yàn)證了石墨烯膜靜電防護(hù)能力，對(duì)于超高壓太陽(yáng)電池陣的研制與應(yīng)用起到了推進(jìn)作用。

1 太陽(yáng)電池陣靜電放電危害

1.1 空間等離子體環(huán)境

根據(jù)探測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用，使得地球磁場(chǎng)及其俘獲的帶電離子帶發(fā)生畸變。在地球同步軌道，受地磁亞暴環(huán)境的影響，衛(wèi)星處于高能、低密度等離子體環(huán)境中，容易發(fā)生不等量充電并誘發(fā)靜電放電事件。

當(dāng)?shù)入x子體與航天器相互作用時(shí)，主要是電子對(duì)航天器表面充電。表面充電的電子能量范圍通常是0 keV～50 keV。在電站位于的地球同步軌道，航天器進(jìn)入到地磁亞暴引起的增強(qiáng)等離子體環(huán)境時(shí)，將發(fā)生明顯的充電現(xiàn)象，充電電位高達(dá)負(fù)數(shù)千伏，并造成局部電勢(shì)差異。在軌飛行期間太陽(yáng)電池陣完全暴露在空間環(huán)境中，由于不等量電荷的積累和二次電子發(fā)射的影響，在太陽(yáng)電池陣表面很容易誘發(fā)空間靜電放電（一次放電）。

1.2 太陽(yáng)電池陣的充放電

傳統(tǒng)剛性太陽(yáng)電池陣，表面包括玻璃蓋片、金屬互連片以及基底等介電常數(shù)和二次電子發(fā)射系數(shù)不同的材料，在空間等離子體環(huán)境中，這些材料會(huì)產(chǎn)生不等量電荷積累，出現(xiàn)電勢(shì)差從而導(dǎo)致靜電放電。電池串相鄰太陽(yáng)電池之間存在很高的壓差的情況下，在靜電放電環(huán)境中更容易形成高濃度電荷通路，即二次放電現(xiàn)象。二次放電對(duì)太陽(yáng)電池陣有巨大危害，其產(chǎn)生的熱量使得太陽(yáng)電池之間或太陽(yáng)電池與太陽(yáng)電池陣基板之間的材料發(fā)生熱解，聚酰亞胺膜熱解炭化后留下一低電阻通路。之后太陽(yáng)電池串電流將從此低阻通路流過(guò)，閉環(huán)回路形成，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣永久性短路，系統(tǒng)功率大幅下降。對(duì)于全柔性太陽(yáng)電池陣，表面采用薄膜或者玻璃整體封裝，不會(huì)產(chǎn)生玻璃蓋片與金屬互連片之間的電荷不均勻區(qū)域，一定程度上可以減少靜電放電現(xiàn)象。但在高壓條件下，絕緣材料表面材料積累的電荷仍舊是巨大隱患。為了探討全柔性太陽(yáng)電池陣的充放電事件，制作了一組全柔性太陽(yáng)電池組件，如圖1 所示，該組件由透明薄膜、薄膜三結(jié)砷化鎵電池和聚酰亞胺薄型基板組成。在串3和串4 之間施加串間電壓，進(jìn)行地面充放電模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為電子能量：14.0 keV、電子電流密度1 nA/cm2、太陽(yáng)電池串間供電電壓為200 V 高壓。結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中全柔性太陽(yáng)電池陣出現(xiàn)了靜電放電現(xiàn)象，雖無(wú)明顯的二次放電，但全柔性陣的封裝材料或者基底材料的耐熱性更差，靜電產(chǎn)生的電火花使材料變形甚至燒熔，對(duì)電池電路產(chǎn)生應(yīng)力作用，增加了發(fā)生電路異常的可能。

圖1 靜電放電后太陽(yáng)電池組件及靜電放電位置局部放大圖

在表1 中，給出了試驗(yàn)前后4 個(gè)電池串電性能的對(duì)比（AM0，25 ℃），可以看出串3 和串4 分別因靜電放電而出現(xiàn)了開(kāi)路和短路現(xiàn)象。該試驗(yàn)說(shuō)明了，雖然整體封裝實(shí)現(xiàn)了表面的近等電位，在高壓條件下，全柔性太陽(yáng)電池陣仍會(huì)出現(xiàn)靜電放電，對(duì)太陽(yáng)電池陣造成嚴(yán)重?fù)p害。

表1 靜電放電前后全柔性太陽(yáng)電池組件性能對(duì)比

2 石墨烯膜封裝全柔性太陽(yáng)電池組件的研制

2.1 石墨烯透明導(dǎo)電膜研制

CVD 是目前最常用的一種石墨烯生長(zhǎng)方法[15]，用CH4或其他含碳化合物作為碳源，碳原子在高溫退火的過(guò)程中沉積在基底表面，然后生長(zhǎng)得到石墨烯。為了制備石墨烯透明導(dǎo)電薄膜，在金屬基底上生長(zhǎng)的石墨烯還需要轉(zhuǎn)移至其他非導(dǎo)電基底上，選擇乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE），因?yàn)镋TFE 膜透過(guò)率、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣強(qiáng)度均有優(yōu)勢(shì)，還具備空間飛行經(jīng)驗(yàn)。圖2 所示為ETFE 基底上的石墨烯透明導(dǎo)電膜，其透過(guò)率和導(dǎo)電性可以達(dá)到94%和250Ω/□。

圖2 CVD 法制備的石墨烯薄膜

2.2 石墨烯透明導(dǎo)電膜的一體化封裝

太陽(yáng)電池陣的發(fā)電單元采用反向生長(zhǎng)的薄膜三結(jié)砷化鎵薄膜太陽(yáng)電池，規(guī)格為20 mm×40 mm，單片電池面積8 cm2。其制備方法是，利用低壓MOCVD 設(shè)備，在襯底之上，先生長(zhǎng)與襯底晶格匹配的GaInP 頂電池和Ga(In)As 中間電池；接著是漸變緩沖層，從襯底的晶格逐步過(guò)渡到生長(zhǎng)底電池所需要的晶格；最后是帶隙約為1 eV 的、與襯底晶格失配的GaInAs 底電池的生長(zhǎng)。在此之上，是為制作電極而生長(zhǎng)的Cap 層。反向生長(zhǎng)晶格失配三結(jié)太陽(yáng)電池外延結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 反向生長(zhǎng)晶格失配三結(jié)太陽(yáng)電池外延結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)電池單體之間采用互連片連接形成電池電路，采用純銀互連片，同時(shí)，互連片設(shè)計(jì)有減應(yīng)力環(huán)，以減少由于熱應(yīng)力造成的互連片損傷。太陽(yáng)電池組件采用串聯(lián)片數(shù)為5 片，共2 串，共計(jì)使用10 片電池，組件內(nèi)太陽(yáng)電池內(nèi)聯(lián)組件面積為80 cm2。

基板選用聚酰亞胺復(fù)合材料基板，其特點(diǎn)為重量輕、厚度薄，具有一定機(jī)械強(qiáng)度。將石墨烯透過(guò)導(dǎo)電膜、薄膜電池電路、柔性基板用層壓的方式做成組件，制得試驗(yàn)樣品如圖4 所示。

圖4 石墨烯膜封裝的全柔性太陽(yáng)電池組件

3 石墨烯透明導(dǎo)電膜靜電防護(hù)能力驗(yàn)證

為了驗(yàn)證石墨烯透明導(dǎo)電膜封裝的全柔性太陽(yáng)電池組件的防靜電能力，利用空間等離子體帶電效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行了地面模擬太陽(yáng)電池陣充放電試驗(yàn)，根據(jù)先前研究效果[3]模擬源參數(shù)設(shè)定為電子能量14.0 keV、電子電流密度2 nA/cm2。通過(guò)在圖4 樣品的兩串之間加一個(gè)可變電阻，再給施加橫電流的方法，控制串間電壓和串間電流。在試驗(yàn)中，電流設(shè)定為4 A，通過(guò)增大可變電阻的阻值，在兩串之間產(chǎn)生不同的壓差。

試驗(yàn)中壓差調(diào)節(jié)從200 V 高壓開(kāi)始，以50 V 為單位，最高升至750 V 的超高壓。在樣件前方設(shè)置電位計(jì)，用于測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中石墨烯透明導(dǎo)電膜的表面電位。整個(gè)裝置處于真空環(huán)境中，真空度不大于8×10-4Pa。試驗(yàn)過(guò)程由VCR 相機(jī)記錄，用于捕捉可能出現(xiàn)的放電現(xiàn)象。

對(duì)于石墨烯透明導(dǎo)線薄膜封裝的全柔性太陽(yáng)電池陣，由于試驗(yàn)過(guò)程中表面接地，在不斷增大串間電壓的過(guò)程中，表面良好的導(dǎo)電性，保證了表面電荷快速泄放，因此在試驗(yàn)中未觀察到放電現(xiàn)象。通過(guò)電位計(jì)測(cè)量的表面電位均小于-10 V。試驗(yàn)后，將樣件取出觀察外觀并測(cè)量其絕緣性，結(jié)果未發(fā)生明顯變化。在表2 中給出了兩串電池在試驗(yàn)前后的電性能測(cè)試結(jié)果（AM0，25 ℃），可以看出電池串的性能基本無(wú)變化，超高壓條件下的充放電模擬試驗(yàn)沒(méi)有對(duì)全柔性太陽(yáng)電池組件造成損傷。

表2 靜電放電前后石墨烯導(dǎo)電膜組件電性能對(duì)比

石墨烯優(yōu)秀的導(dǎo)電性使電荷迅速泄放，保持了柔性太陽(yáng)電池組件表面近零電位的狀態(tài)，將一次放電的概率為零，太陽(yáng)電池陣靜電損傷失去了先決條件，理論上串間電壓再增加也不會(huì)導(dǎo)致靜電放電現(xiàn)象。因此超高電壓全柔性太陽(yáng)電池陣使用石墨烯透明導(dǎo)電膜實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)是可行性，且相對(duì)于其他透明導(dǎo)電膜，石墨烯材料在導(dǎo)電性、透過(guò)率、柔性上都有優(yōu)勢(shì)。固化制備工藝，針對(duì)性解決環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，石墨烯將在空間應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)論

空間電站對(duì)超高壓全柔性太陽(yáng)電池陣提出了應(yīng)用需求，超高壓條件下的太陽(yáng)電池陣靜電放電損傷的問(wèn)題亟待解決。試驗(yàn)證明全柔性太陽(yáng)電池整體絕緣封裝在高壓條件下會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的靜電損傷，電池串性能大幅下降。利用表面導(dǎo)電膜，實(shí)現(xiàn)電荷快速泄放，從根本上解決靜電放電問(wèn)題，是解決該問(wèn)題的最佳方法。石墨烯具備優(yōu)異的導(dǎo)電性和透過(guò)率，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方法，制備出石墨烯透明導(dǎo)電膜的透過(guò)率94%，方塊電阻250 Ω/□。利用一體化封裝技術(shù)將石墨烯透明導(dǎo)電膜、薄膜電池組件和柔性基板制成全柔性太陽(yáng)電池組件，在750 V 的超高串間壓差下進(jìn)行充放電試驗(yàn)，結(jié)果表明石墨烯膜阻止了靜電放電現(xiàn)象的發(fā)生，試驗(yàn)前后電池性能無(wú)變化。石墨烯透明導(dǎo)電膜在超高壓條件下太陽(yáng)電池陣靜電防護(hù)的優(yōu)異表現(xiàn)，為超高壓全柔性太陽(yáng)電池陣的發(fā)展和應(yīng)用提供了積極影響。