空間用太陽(yáng)電池紅外干涉截止濾光技術(shù)研究

雷 剛，曹佳曄，王藝帆

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

自1958年世界上首顆采用常規(guī)硅太陽(yáng)電池供電的衛(wèi)星——美國(guó)先鋒一號(hào)（Vanguard I）成功發(fā)射起，世界上很多航天器將各種類(lèi)型的硅太陽(yáng)電池作為主電源。為抵御空間環(huán)境中粒子輻照對(duì)電池的損傷從而影響電池性能，一般在電池的上表面粘貼摻二氧化鈰抗輻照玻璃蓋片制成疊層電池。硅太陽(yáng)電池的工作狀態(tài)與電池溫度密切相關(guān)，電池溫度每升高1℃，輸出功率將減少0.4%～0.5%［1］。尤其是采用陷光結(jié)構(gòu)的高效硅太陽(yáng)電池，因?qū)t外光的吸收強(qiáng)烈，其太陽(yáng)吸收率高達(dá)0.86以上，輸出功率會(huì)因溫度升高而顯著下降，這大大降低了其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為解決該問(wèn)題，需采用多層光學(xué)薄膜的干涉作用以過(guò)濾對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)貢獻(xiàn)的紅外光。國(guó)外對(duì)此開(kāi)展了大量研究并已在空間領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用：MULLANEY等最先報(bào)道了采用紅外濾光技術(shù)使硅電池的太陽(yáng)吸收率降低到0.77以下；RUSSELL等研究了更寬通帶的紅外濾光技術(shù)并用于三結(jié)砷化鎵電池，使三結(jié)砷化鎵電池的太陽(yáng)吸收率降低到0.83以下；QIOPTIQ公司已形成了系列產(chǎn)品并用于多個(gè)航天器［2－7］。但國(guó)內(nèi)尚缺乏系統(tǒng)的研究，更無(wú)空間應(yīng)用實(shí)例。為此，本文對(duì)空間用太陽(yáng)電池紅外干涉截止濾光技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 理論分析

1.1 玻璃蓋片透射率對(duì)電池性能的影響

定義太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率

式中：VOC為開(kāi)路電壓；JSC為短路電流密度；γFF為填充因子；P為AM0太陽(yáng)常數(shù)。

太陽(yáng)電池的JSC取決于入射光的強(qiáng)度和量子效率，有

式中：q為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；c為真空光速；λ為波長(zhǎng)；P（λ）為AM0光譜的輻照度（如圖1所示）；Q（λ）為太陽(yáng)電池的外量子效率，其定義為波長(zhǎng)λ的單色入射光的光子數(shù)量與電極收集的載流子比，可由量子效率測(cè)試儀測(cè)出。

圖1 AM0光譜輻照度分布Fig.1 AM0spectrum

太陽(yáng)電池在空間應(yīng)用時(shí)，需粘貼抗輻照玻璃蓋片制成疊層太陽(yáng)電池，如圖2所示。設(shè)玻璃蓋片的透射率為T(mén)（λ），則入射到電池表面的光強(qiáng)為P（λ）T（λ），有

由此可知，玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的的透射率越高，電池的轉(zhuǎn)換效率就越高。因此，玻璃蓋片的上表面一般蒸鍍一層MgF2減反射膜（AR），以提高蓋片的透射率，這種蓋片在400～2 000nm的廣大范圍內(nèi)透射率均大于90%。

圖2 疊層太陽(yáng)電池Fig.2 Solar cell with coverglass

1.2 玻璃蓋片反射率對(duì)電池性能的影響

太陽(yáng)電池陣在空間吸收太陽(yáng)光的能量而被加熱并以熱輻射的方式向周?chē)?，根?jù)熱平衡方程可推導(dǎo)出太陽(yáng)電池的工作溫度

式中：αS為疊層電池的太陽(yáng)吸收率；FP為布片系數(shù)；η為電池在軌轉(zhuǎn)換效率；εF，εB分別為電池陣的正、背面半球向輻射率；σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)［8］。

對(duì)式（4）求導(dǎo)，為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略η隨溫度的變化，可得

式（5）除以式（4）可得太陽(yáng)電池的工作溫度變化與太陽(yáng)吸收率變化間的關(guān)系為

定義太陽(yáng)吸收率

式中：R（λ）為疊層電池的反射率。由此可知：為降低太陽(yáng)吸收率，降低電池的工作溫度，從而提高電池的在軌輸出功率，需提高太陽(yáng)電池響應(yīng)光譜范圍外的反射率。

因蒸鍍MgF2減反射膜的普通玻璃蓋片有很高的透射率，故疊層電池的反射率主要取決于裸電池的反射率。受電池結(jié)構(gòu)影響，裸電池在紅外波段無(wú)法得到很高的反射率，尤其是采用了陷光結(jié)構(gòu)的高效硅太陽(yáng)電池，其紅外波段的反射率小于50%，因此較高的太陽(yáng)吸收率影響了空間使用效果。

一種有效的解決方法是在玻璃蓋片上制備紅外干涉截止濾光片，濾光片的通帶保證對(duì)電池有用的光能順利通過(guò)，而截止帶阻止對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)貢獻(xiàn)的紅外光進(jìn)入電池，從而在保證不影響電池轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上降低電池的太陽(yáng)吸收率。

2 紅外干涉截止濾光片設(shè)計(jì)

紅外干涉截止濾光片（IRR）的基本原理是在玻璃基片上制備一系列特定組合的薄膜，利用光的干涉作用，使薄膜在可見(jiàn)光波段呈現(xiàn)高透射率的通帶，而在紅外波段呈現(xiàn)高反射率的截止帶。硅太陽(yáng)電池的響應(yīng)光譜為400～1 100nm，濾波片的通帶寬度需大于700nm。為降低玻璃蓋片對(duì)可用光的反射率，在上表面需蒸鍍一層減反射膜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采用紅外截止濾光片的玻璃蓋片結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of IRR structure

圖4 采用 ［L］S膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IRR透射光譜Fig.4 Transmission spectrum of IRR with structure of［L］S

為改善IRR的性能，可在上述兩種材料間插入一種介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料的折射率介于上述兩種材料間，且三種材料的折射率實(shí)部盡可能接近，即構(gòu)成［LMHML］S膜系［9］。為進(jìn)一步改善通帶寬度，需對(duì)［LMHML］S膜系進(jìn)行優(yōu)化。以前的優(yōu)化方法是在該膜系的兩側(cè)再增加其他中心波長(zhǎng)的［LMHML］膜層［10］。本文用 TFCalc軟件直接對(duì)［LMHML］S膜系中每層的膜厚進(jìn)行優(yōu)化處理，可獲得更好的效果，優(yōu)化后的透射光譜如圖5所示。由圖可知：改進(jìn)后IRR的通帶為400～1 100nm，透射率大于95%，截止帶透射率接近0%，可滿足硅太陽(yáng)電池的要求。

3 紅外干涉截止濾光片制備與測(cè)試

在光學(xué)真空鍍膜機(jī)中制備紅外干涉截止濾光片，采用電子束蒸發(fā)的方式在玻璃蓋片上蒸鍍帶通膜，由晶振膜厚控制儀保證膜厚的精度，并采用了離子輔助技術(shù)。

圖5 采用［LMHML］S膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的IRR透射光譜Fig.5 Transmission spectrum of IRR with structure of［LMHML］S

采用Cary5000型紫外－可見(jiàn)光－近紅外分光光度計(jì)對(duì)制備的IRR的透射光譜進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。由圖可知：采用IRR后玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的透射率基本達(dá)到了普通玻璃蓋片的水平，在大于1 200nm處的紅外光透射率明顯低于普通玻璃蓋片，說(shuō)明IRR對(duì)紅外光有良好的截止作用。

圖6 采用IRR蓋片和普通蓋片的透射光譜實(shí)測(cè)值Fig.6 Transmission spectrum of cover glass with IRR and AR

4 紅外干涉截止濾光片性能分析

將采用IRR的玻璃蓋片貼在背場(chǎng)硅太陽(yáng)電池（BSFR）和高效硅太陽(yáng)電池（PERL）上制成疊層電池，對(duì)疊層電池的反射率R進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖7、8所示。對(duì)疊層電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下（AM0、25℃）的短路電流和輸出功率進(jìn)行了測(cè)試，并由式（6）、（7）計(jì)算采用IRR后太陽(yáng)電池的太陽(yáng)吸收率和在軌性能變化，結(jié)果見(jiàn)表1。上述測(cè)試和計(jì)算均以普通玻璃蓋片作為基準(zhǔn)。

由圖7、8可知：采用IRR后，BSFR，PERL對(duì)紅外光的反射率均明顯上升，其中對(duì)紅外光吸收較強(qiáng)烈的高效硅太陽(yáng)電池的提升效果更明顯。由表1可知：采用IRR后，BSFR，PERL在標(biāo)準(zhǔn)條件下的輸出功率略有下降，這是因?yàn)椴捎肐RR后玻璃蓋片在400～1 100nm范圍內(nèi)的透射率總體略降，但太陽(yáng)吸收率以及在軌工作溫度與普通蓋片相比出現(xiàn)明顯下降，因此在軌輸出功率有顯著上升，尤其是PERL的在軌輸出功率提升了3.3%，效果明顯。

圖7 采用IRR蓋片和普通蓋片的BSFR疊層電池的反射光譜Fig.7 Reflectance spectrum of BSFR cells with BRR and AR

圖8 采用IRR蓋片和普通蓋片的PERL疊層電池的反射光譜Fig.8 Reflectance spectrum of PERL cells with BRR and AR

表1 采用IRR后太陽(yáng)電池性能變化Tab.1 Efficiency gains for IRR on silicon cells

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)空間用太陽(yáng)電池紅外干涉截止濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種紅外干涉截止濾光片，用電子束蒸發(fā)方式在玻璃蓋片上制備出符合設(shè)計(jì)要求的濾光片。對(duì)濾光片性能的測(cè)試結(jié)果表明：研制的濾波片可有效過(guò)濾對(duì)硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率無(wú)貢獻(xiàn)的紅外光，硅太陽(yáng)電池在軌工作溫度降低5～10℃，輸出功率增加1.4%～3.3%。該濾光片的研制對(duì)促進(jìn)高效硅太陽(yáng)電池的空間應(yīng)用有一定的意義。

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