四結(jié)砷化鎵太陽電池電路可靠性設(shè)計及驗證技術(shù)研究

李大正 李雅琳 李朝陽 李峰 蔣碩 薛梅 柳青 姜德鵬

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381)(3 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(4 上?？臻g電源研究所，上海 200245)

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是新型衛(wèi)星平臺的不斷誕生和應(yīng)用，太陽翼功率水平的提升對衛(wèi)星平臺的發(fā)展具有重要意義。高效太陽電池片的選用是國內(nèi)外提升整翼輸出功率的常用方法，其優(yōu)勢在于不需改變太陽翼構(gòu)型及質(zhì)量的情況下，使整星的帶載能力得到有效提升。

三結(jié)砷化鎵太陽電池目前在空間太陽翼大面積應(yīng)用，對于下一代四結(jié)砷化鎵太陽電池，其在二維二次半剛性太陽翼上應(yīng)用的可行性及可靠性尚未經(jīng)過驗證。

德國Azur Space公司制定了空間太陽電池產(chǎn)品開發(fā)路線圖，針對地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，目前產(chǎn)品是壽命初期(BOL)效率30%(壽命末期(EOL)效率26.5%)的晶格匹配三結(jié)電池，下一代產(chǎn)品是BOL效率32%(EOL效率28.5%)的UMM4J電池，研發(fā)目標是效率35%的UMM4J電池；目前直至未來相當一段時間內(nèi)，UMM4J電池都是Azur Space公司空間電池產(chǎn)品的重點[1]。

本文首先對四結(jié)砷化鎵太陽電池及太陽電池電路的可靠性設(shè)計進行了分析，介紹了試驗驗證流程和試驗方案設(shè)計；通過試驗測試結(jié)果驗證了四結(jié)砷化鎵太陽電池半剛性太陽翼應(yīng)用的可行性和可靠性及地面驗證方案具有較好的通用性和測試性。

1 四結(jié)砷化鎵太陽電池電路構(gòu)成及可靠性設(shè)計

1.1 二維二次半剛性太陽翼組成

二維二次半剛性太陽翼單翼配置6塊繃弦式半剛性太陽電池板，1個連接架及機構(gòu)部分，總長20 m。發(fā)射階段太陽翼呈收攏狀態(tài)壓緊于衛(wèi)星側(cè)壁，轉(zhuǎn)移軌道階段展開90°并鎖定，完成一次展開；同步軌道完成二次展開。二維二次半剛性太陽翼構(gòu)型示意如圖1所示[1]。

圖1 二維二次半剛性太陽翼構(gòu)型示意圖

1.2 四結(jié)砷化鎵太陽電池設(shè)計

三結(jié)太陽電池由3個P-N結(jié)串聯(lián)而成，由頂電池、中間電池、底電池組成。四結(jié)太陽電池由4個P-N結(jié)串聯(lián)而成，相對于三結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)，除頂電池和底電池，有兩個中間電池，高效四結(jié)疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)和物理模型如圖2所示。由于比三結(jié)太陽電池多了一個P-N結(jié)，四結(jié)太陽電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖2 四結(jié)砷化鎵太陽電池疊層物理模型

四結(jié)太陽電池的4個結(jié)所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度分別為1.9 eV、1.4 eV、1.0 eV、0.67 eV。采用這幾種能量帶隙材料的太陽電池能較充分地將太陽光中350～1800 nm波長范圍的光譜能量轉(zhuǎn)化為電能。

太陽電池采用漸變緩沖層技術(shù)來減小晶格失配導(dǎo)致的缺陷對電池性能的影響，與現(xiàn)有的空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池相比，四結(jié)太陽電池采用了晶格失配材料(1.0 eV InGaAs和0.67 eV InGaAs)，工藝實現(xiàn)上采用了如圖3所示的晶格外延生長、鍵合、剝離等新工藝。

圖3 四結(jié)太陽電池工藝流程

1.3 四結(jié)砷化鎵太陽電池電路可靠性設(shè)計

四結(jié)砷化鎵太陽電池電路粘貼在繃弦式半剛性基板上，半剛性基板網(wǎng)格分布如圖4所示。

圖4 半剛性太陽翼收攏示意圖

相對于剛性基板，太陽電池電路可靠性設(shè)計特點如下。

(1)在防靜電放電方面，與剛性太陽電池陣相比較，半剛性基底的太陽電池陣樣品由于沒有了基底的表面介質(zhì)材料，取代的是半剛性網(wǎng)，與太陽電池陣有效接觸面積變小，距離變大，因此減小了高壓太陽電池陣樣品表面電場，大大降低了靜電放電的頻率；在半剛性太陽電池陣設(shè)計中的防靜電放電設(shè)計方法如下：控制片間電壓，串間電流，基板連接靜電泄放電阻，電路正端串聯(lián)隔離二極管[2]。

(2)熱環(huán)境適應(yīng)性，半剛性板本身向空間的輻射散熱效果要優(yōu)于剛性板，在軌高低溫循環(huán)范圍比剛性板小，對太陽電池陣的高低溫沖擊影響小于剛性板；在半剛性太陽電池陣設(shè)計中的熱設(shè)計方法如下：二極管引線、互連片設(shè)置減應(yīng)力環(huán)，電纜固定點間設(shè)置熱應(yīng)力釋放余量。

(3)在抗輻照方面，半剛性板沒有剛性板背面基底材料的防護，相對于剛性太陽電池板只在電池正面貼玻璃蓋片，半剛性板太陽電池反正面均粘貼抗輻照玻璃蓋片，使其完全覆蓋太陽電池上表面，能夠保護太陽電池的整個活性區(qū)，使其免于吸收低能質(zhì)子而引起對P-N結(jié)的損害；在半剛性太陽電池陣設(shè)計中抗輻照設(shè)計方法如下：開展四結(jié)電池電子輻照試驗[3-4]，并進行長壽命期間功率預(yù)計。

2 試驗驗證方案設(shè)計

基于繃弦式基板電池的獨特粘貼布置方式及新型四結(jié)砷化鎵太陽電池的長壽命在軌可靠應(yīng)用，需要開展地面可靠性專項試驗，對防靜電放電、熱環(huán)境適應(yīng)性及抗輻照特性進行多方面考核，驗證項目矩陣見表1。

表1 驗證項目矩陣

對于防靜電放電試驗驗證，由于半剛性基板靜電放電頻率較低，設(shè)計剛性板比對試驗方案，驗證半剛性電池電路的可靠性。靜電放電(ESD)及溫度循環(huán)的試驗件數(shù)量及狀態(tài)見表2。

表2 試驗件狀態(tài)

2.1 靜電放電試驗方案

靜電放電試驗采用兩個小板試驗件，剛性小板用于比對試驗，摸索產(chǎn)生二次放電的試驗條件，并將該試驗條件應(yīng)用于半剛性小板。試驗件實物如圖5所示。

圖5 靜電放電試驗件實物圖

試驗在真空中進行，利用電子槍模擬空間地磁亞暴電子環(huán)境，電子槍產(chǎn)生電子束輻照太陽電池陣樣品表面，使太陽電池陣表面充電，當其不同材料表面電位產(chǎn)生的電場達到一定閾值時，會發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，試驗原理如圖6所示。

注：R為回路負載電阻；Ⅰ、Ⅱ為電流探頭，用來監(jiān)測放電脈沖；C為太陽電池陣對地模擬電容；P為模擬電源，可為太陽電池串提供工作電壓。

試驗過程中，利用電子槍產(chǎn)生電子束流模擬空間帶電環(huán)境，電子槍正對試驗樣品，在試驗要求的電子束流條件下輻照試驗樣品表面使其充電并產(chǎn)生靜電放電，利用表面靜電放電誘導(dǎo)二次放電事件發(fā)生。

2.2 溫度沖擊試驗方案

衛(wèi)星運行于地球同步軌道，每年有春秋分兩個地影季，一個地影季90天。半剛性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得太陽電池片在板上可以從正面及背面雙向向空間輻射散熱，在基板上的二極管安裝底板處的遮擋會對太陽電池片的背面散熱造成影響[5-6]，選擇最惡劣的溫度分析結(jié)果，確定溫度沖擊范圍為-170 ℃～+85 ℃。通過熱分析，模擬進出影時的真實升降溫速率，控制試驗設(shè)備升溫和降溫的平均溫度變化速率20 ℃/min，在高溫端及低溫端各保持1 min。溫度沖擊循環(huán)次數(shù)2208次，相當于在軌運行16年經(jīng)受溫度沖擊次數(shù)的1.5倍。根據(jù)以上試驗條件，對小板試驗件進行溫度沖擊試驗考核。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 靜電放電試驗

在靜電放電比對試驗中，對剛性小板，電子能量14 keV，電子束流密度2.0 nA/cm2，當太陽電池陣樣品串間工作電壓為90 V時，電池串間在發(fā)生多次靜電放電之后產(chǎn)生了二次放電。靜電放電試驗件如圖7所示。

圖7 靜電放電試驗件實物圖

對于半剛性基板試驗件，根據(jù)剛性基板產(chǎn)生二次放電時電子能量及電子束流密度，施加同樣條件，模擬電源P提供串間工作電壓從50 V開始，每隔10 min增加10 V，最高串間工作電壓200 V，試驗件出現(xiàn)少量的一次放電現(xiàn)象，未產(chǎn)生二次放電。

靜電放電試驗結(jié)果驗證了通過控制串間間隙、片間電壓、單串電流，增加靜電泄放電阻及串聯(lián)隔離二極管等多項設(shè)計措施的有效性。

3.2 溫度沖擊試驗

溫度沖擊試驗后，對電池、旁路二極管、粘接劑、焊點外觀進行檢查，試驗件無損傷、焊點無開焊，并對太陽電池片及玻璃蓋片的裂片情況進行檢查，太陽電池片及玻璃蓋片裂片均無增加。在試驗前和試驗后分別進行光照測試，試驗前、后最佳工作點功率變化小于1%，用100 V絕緣表檢測太陽電池電路與基板絕緣電阻均大于100 MΩ，電性能測試結(jié)果滿足電路與基板的絕緣要求。

試驗件經(jīng)2208次溫度循環(huán)沖擊后，太陽電池外觀完好無損，電性能衰降小于1%，太陽電池電路與基板絕緣滿足絕緣電阻大于1 MΩ的要求。試驗結(jié)果表明：繃弦式半剛性太陽電池陣用四結(jié)砷化鎵太陽電池陣的減應(yīng)力環(huán)及電纜余量的熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計及電池粘貼工藝能夠滿足溫度沖擊后電路及基板不損壞的要求。

3.3 輻照衰降分析

經(jīng)過試驗，1×1015e/cm2輻照劑量下，四結(jié)砷化鎵太陽電池完輻照后性能衰降不大于17%，根據(jù)輻照試驗結(jié)果，對太陽翼功率輸出衰降情況進行了預(yù)計，預(yù)計壽命末期分點輸出功率約31 kW，功率衰降曲線如圖8所示。

圖8 四結(jié)砷化鎵太陽電池陣功率衰降曲線

由于80 mm×80 mm四結(jié)砷化鎵太陽電池單體效率達到33.6%，按照半剛性太陽翼單翼仍采用1.1節(jié)6塊板的設(shè)計布局，在單板尺寸仍采用2.5 m×4.05 m時，整翼輸出功率可由31 kW提升至34 kW，功率提升10%，整翼質(zhì)量及展開面積都未發(fā)生變化，通過太陽電池單體效率的提升實現(xiàn)了整翼輸出功率的提升。如表3所示，輸出功率可以滿足使用需求，達到預(yù)期效果。

表3 太陽電池陣輸出功率預(yù)計

通過輻照衰降試驗結(jié)果及功率衰降分析，驗證了隔離二極管輻照壓降及電路串并聯(lián)功率設(shè)計的合理性及有效性。

4 結(jié)論

本文對二維二次半剛性太陽翼及四結(jié)砷化鎵太陽電池進行了分析，并設(shè)計了小板試驗驗證方案。相對于剛性太陽翼，半剛性太陽翼設(shè)計及試驗驗證具有以下特點：

(1)由于半剛性基板靜電放電閾值高于剛性基板，設(shè)計了剛性小板比對試驗方案，試驗的比對結(jié)果驗證了半剛性板太陽電池陣靜電放電設(shè)計的可靠性；

(2)半剛性板本身向空間的輻射散熱效果優(yōu)于剛性板，在軌工作溫度相對較低，溫度沖擊的試驗溫度范圍按照板上局部最惡劣的環(huán)境制定，加嚴了對試驗件的考核，試驗結(jié)果驗證了半剛性板的結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝及太陽電池片的粘貼工藝均能夠滿足在軌長壽命使用需求；

(3)由于太陽電池片在半剛性板上沒有背面基底的防護，設(shè)計了雙面玻璃片的電池玻璃蓋片合成(CIC)單體結(jié)構(gòu)，增加了太陽電池片抗空間輻照能力，結(jié)合單體輻照衰降結(jié)果進行的全壽命周期功率預(yù)計，表明四結(jié)砷化鎵太陽電池設(shè)計可以滿足在軌長壽命輻照需求。

四結(jié)砷化鎵太陽電池在半剛性太陽翼的可靠性設(shè)計及試驗驗證結(jié)果表明：四結(jié)砷化鎵太陽電池電路可以滿足二維二次半剛性太陽翼使用需求，本文中的設(shè)計及試驗驗證結(jié)果對后續(xù)四結(jié)砷化鎵太陽電池在半剛性太陽翼的大規(guī)模工程應(yīng)用具有重要借鑒意義。