太阳电池污染与紫外协合效应试验方法研究

庞寿成，院小雪，臧卫国，于 钱，杨东升

（1. 北京空间机电研究所，北京 100094； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

引言

太阳电池阵作为航天器电源系统的关键组件之一，其性能衰变将直接影响电源系统工作状态，从而影响整个航天器的工作状态[1-3]。太阳电池（三结砷化镓太阳电池和镓铟磷顶太阳电池）在轨运行期间，会受到紫外辐照、原子氧、碎片、等离子体、温度和污染等多种空间环境及诱导环境的影响[4-5]，其中污染与紫外协合对太阳电池的开路电压和短路电流产生影响，从而造成性能下降。

污染物对太阳电池输出功率的影响因素是盖片上沉积的污染膜的吸附和反射造成的光遮蔽效应，减少了到达太阳电池上的光照，使得输出功率下降。紫外辐照对航天器污染效应的影响的主要体现在导致污染分子撞击到被污染表面时发生光化学反应，影响污染分子在被污染表面的凝结效率，已沉积在被污染表面上的污染膜在紫外辐射下还会发生定影、发黑现象，改变污染膜的光学性质，导致污染膜对被污染表面效应的增强。

1 试验及测试设备

太阳电池污染效应试验设备主要由真空系统、材料放气控制系统、污染量测试系统、太阳电池污染沉积控制系统组成。材料放气控制系统包括放气室、材料温度控制系统；污染量测试系统由石英晶体微量天平及其测控系统组成，太阳电池污染沉积控制系统包括沉积平台和太阳电池片安装机构。放气材料选用星用非金属材料，置于放气室内，加热放气可凝挥发物沉积在太阳电池片和石英晶体微量天平，其中太阳电池片和石英晶体微量天平放置在同一水平面上，石英晶体微量天平用来测量污染物沉积量。

太阳电池污染与紫外效应试验设备在真空、温度试验设备上增加一套紫外辐照系统。紫外辐照系统采用氘灯作为光源，其波段为115～200 nm。

试验设备见图1所示。在太阳电池污染效应试验时，切断氘灯电源，使其处于不工作状态。

实验设备技术指标如下：

1）真空容器真空度：优于7.0×10-3Pa；

2）材料放气控制系统温度控制精度：优于0.5 K；

3）污染量灵敏度：优于2×10-9g/（cm2·Hz）。

太阳电池性能测试系统采用太阳模拟器和数字表。通过太阳电池性能测试装置（见图2）测量太阳电池取样电阻电压在实验前后的变化。太阳模拟器的主要技术参数和指标如下：

1）辐照度：1个太阳常数；

2）光斑均匀区范围：不小于样品尺寸。

2 试验程序

图1 温度、真空与紫外辐照试验设备示意图

2.1 试验准备

试验准备工作内容如下：

1）对真空容器内部及外部进行清洁；

2）试验前检查，调试各台仪器设备，保证其能正常工作；

3）进行空载试验，试验状态确认；

4）测量并记录试验前太阳电池片的取样电阻电压；

5）根据任务书确定试验时间、材料加热温度、沉积板温度、沉积量限定值。

2.2 试验过程

2.2.1 太阳电池污染效应试验

太阳电池污染效应试验试验过程如下：

1）将非金属材料称重量后放入无盖样品瓶，放置在材料放气控制系统的放气室内。

2）将石英晶体微量天平与太阳电池片放置在同一沉积平面上，天平晶片与太阳电池表面水平高度一致，平面水平放置，天平与太阳电池在平面中心附近对称放置。

图2 太阳电池性能测试装置示意图

3）通电，启动循环水系统，开启热偶计，启动机械泵，打开粗抽阀，抽真空室。

4）真空到5 Pa后，关闭粗抽阀，打开电磁阀抽分子泵；分子泵前级抽到5 Pa后，打开闸板阀；容器再抽到5 Pa后，启动分子泵。

5）分子泵正常后，且热偶计到0.1 P后，开启电离计。真空度达到试验要求后，进入试验工况程序。

6）试验开始后，用加热片对样品室进行加热到125℃，同时实时监控模拟污染物沉积阶段的天平频率，到达某一量级时，进入设备关机工况。

7）设备关机：关闭电离计和闸板阀；停分子泵；关闭电磁阀；关闭机械泵；10 min后关闭循环水系统；关闭热偶计、断电。

8）取出太阳电池片，太阳电池污染效应试验结束。

2.2.2 太阳电池污染与紫外协合效应试验

太阳电池污染与紫外协合效应试验试验过程如下：

1）将非金属材料称重量后放入无盖样品瓶，放置在材料放气控制系统的放气室内；

2）将石英晶体微量天平与太阳电池片放置在同一沉积平面上，天平晶片与太阳电池表面水平高度一致，平面水平放置，天平与太阳电池在平面中心附近对称放置；

3）通电，启动循环水系统，开启热偶计；启动机械泵；打开粗抽阀，抽真空室；

4）真空到5 Pa后，关闭粗抽阀，打开电磁阀抽分子泵；分子泵前级抽到5 Pa后，打开闸板阀；容器再抽到5 Pa后，启动分子泵；

5）分子泵正常后，且热偶计到0.1 P后，开启电离计。真空度达到试验要求后（根据要求，可启动液氮系统），进入试验工况程序（注意检查循环水系统）；

6）试验开始后，用加热片对样品室进行加热到125℃，打开紫外辐照系统电源，对太阳电池进行辐照。同时实时监控模拟污染物沉积阶段的天平频率，到达某一量级时（根据任务书要求设置三组不同的污染量），进入设备关机工况。

7）设备关机：关闭电离计和闸板阀；停分子泵；关闭电磁阀；关闭机械泵；10 min后关闭循环水系统；关闭热偶计、断电。

8）取出太阳电池片，太阳电池污染与紫外协合效应试验试验结束。

2.3 试验后测试

试验后测试过程如下：

1）打开太阳模拟器电源，预热10 min；

2）将试验后的太阳电池片放置在太阳电池性能测试平台上；

3）用数字表测量太阳电池取样电阻两端的取样电压，并记录数据。

3 试验数据处理

3.1 概述

太阳电池污染与紫外协合效应试验的数据处理是为了得到污染沉积量/紫外辐照和太阳电池性能变化之间的关系。因此数据处理包括两部分内容：污染沉积量的数据处理和太阳电池取样电阻电压变化率的数据处理。

3.2 沉积污染量计算

污染沉积量计算公式为：

式中，m—太阳电池片上的污染沉积量，g/cm2；

δ—石英晶体传感因子，对20 MHz石英晶片δ值为1.1×10-9g/（cm2.Hz）；

ff—石英晶体微量天平最终频率，Hz；

fi—石英晶体微量天平初始频率，Hz。

3.3 取样电阻电压变化率计算

太阳电池取样电阻电压变化率计算公式为：

式中，ΔVR—取样电阻电压变化率，%；

VR0—试验前太阳电池片取样电阻电压值，V；

VR1——试验后太阳电池片取样电阻电压值，V。

4 结束语

随着长寿命高可靠航天器的发展，对航天器设计提出了越来越高的要求。本文提出的太阳电池污染与紫外协合效应试验方法可以为航天器电源系统设计提供参考，减少设计余量，降低设计成本。

[1]B.E. Wood, B.D. Green. Materials Outgassing Effects and Satellite Contamination Database [C]. 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 10-13 January 2000,AIAA 2000-0241.

[2]院小雪，周传良，杨东升.航天光学系统的污染控制技术[J].航天器环境工程，2012.29(2):168-172.

[3]院小雪, 庞贺伟, 周传良. 分子污染对卫星太阳电池翼输出功率的衰减研究[J]. 宇航学报, 2007, 28(1): 118-123.

[4]院小雪，易忠，杨东升，等. 新型空间环境效应探测器技术及其应用研究[J].空间电子技术，2013.10(1):30-32.

[5]高欣，杨生胜，王云飞，等. MEO 轨道辐射环境对Si 太阳电池影响研究[J]. 宇航学报, 2010, 31(3): 931-935.