非金属材料放气对砷化镓电池的影响分析

院小雪，于钱，臧卫国，杨东升，周晶晶，姜海富

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

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的工作状态，从而影响整个航天器的工作状态[1—3]。目前，航天器普遍采用三结砷化镓太阳电池。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]。

太空中，对砷化镓电池产生污染的污染源主要有：航天器用非金属材料放气[5—6]；姿控发动机的喷射[7]；空间环境的影响[8—10]。其中，非金属材料放气是污染源的重要组成部分。航天器真空热试验中污染监测试验的结果表明，非金属材料放气释放的有机分子主要为邻苯二甲酸酯类和硅氧烷类[11—13]。

文中以非金属材料灰皮电缆放气产物邻苯二甲酸酯类为例，分析其对砷化镓电池的性能影响，从而为太阳电池的污染防护提供依据和支持。

1 试验

非金属材料放气对砷化镓电池性能影响试验包括两部分：砷化镓电池性能与透过率关系试验和污染物沉积量与透过率关系试验。通过这两组试验，得到污染物沉积量与太阳电池功率损失之间的关系。

1.1 材料及设备

试验用品包括砷化镓电池、石英光学试片和非金属材料等。砷化镓电池尺寸为3 cm×4 cm，短路电流为210 mA，石英光学试片尺寸为80 mm×80 mm×1 mm。非金属材料为航天器常用灰皮电缆，其放气产物为邻苯二甲酸酯类，无色透明液体。

砷化镓电池的性能测试采用太阳模拟器和数字万用表，测试其短路电流，测量电路如图1所示。

图1 太阳电池短路电流测试电路Fig.1 The sketch map of the electrocircuit test for short circuit of solar cell

用U-3900H紫外可见分光光度计测试石英光学试片的光学透过率，其波长范围为190～900 nm，光谱带宽为0.2～4.0 nm。采用石英晶体微量天平测量非金属材料的放气沉积量[14]，其谐振频率为20 MHz，污染量测试精度为1.1×10-9g/cm2，污染量测试范围为0～1.1×10-5g/cm2。

1.2 试验方案

1）砷化镓电池性能与透过率关系试验。试验如图2所示，分别将1，2，5块光学试片放置在太阳电池片上，进行模拟光照下的短路电流测试，从而得到砷化镓电池功率损失与透过率影响之间的关系。测试过程中，将太阳电池片正对太阳模拟器光源，使光线垂直入射，按照砷化镓电池短路电流测试电路示意图进行测试。

图2 透过率影响试验Fig.2 The sketch map of transmittance effect test

2）污染物沉积量与透过率关系试验。试验设备如图3所示，在样品室中放置灰皮电缆，将材料加热到125℃进行烘烤，样品室开口朝向石英光学试片。分别进行不同时间的材料真空放气试验，在光学试片上形成10-6，10-5，10-4g/cm2量级的污染沉积量，从而得到污染物沉积量与透过率损失之间的关系。

图3 材料放气试验Fig.3 The sketch map of material outgassing test

2 结果和讨论

2.1 砷化镓电池功率损失与透过率影响试验

放置1，2，5块光学试片后的透过率分别为91.90%，85.00%，58.01%。光学透过率损失结果与太阳电池短路电流变化的关系曲线如图4所示。

图4 光学透过率损失与太阳电池短路电流变化的关系曲线Fig.4 The relationship between the transmittance loss and the short circuit of solar cell

2.2 污染物沉积量与透过率损失影响试验

真空放气沉积后的样品显微图像如图5所示，在光学试片表面形成颗粒状薄膜。针对不同量级的污染量，分别测试了在300～700 nm的透过率损失情况。测试结果见表1。

图5 真空放气沉积样品显微图像Fig.5 The micrograph of the sample with depositing contaminants in vacuum environment

表1 光学试片透过率损失测试结果Table 1 The test result of transmittance of optic glasses

光学透过率损失结果与污染沉积量关系曲线如图6所示。

图6 光学透过率损失与污染量关系Fig.6 The relationship between the transmittance loss and the mass of the contaminants

通过上述试验，得到非金属材料放气造成污染沉积量与砷化镓电池输出短路电流的关系，如图7所示。

图7 污染沉积量与短路电流变化曲线Fig.7 The relationship between the mass of the contaminants and the short circuit of solar cell

3 结论

通过对试验结果进行分析，可以得到如下结论。

1）随着非金属材料放气沉积量的增多，砷化镓电池的短路电流不断减小。

2）当污染沉积量达到4×10-5g/cm2时，砷化镓电池的短路电流变化量为23 mA，变化率为10.9%；同时曲线的斜率减小，砷化镓电池的短路电流变化率减小。

3）当污染沉积量达到1.26×10-4g/cm2时，砷化镓电池的短路电流变化量为42 mA，变化率为20.0%；同时曲线平缓，砷化镓电池的电流值基本趋于平稳。

[1] WOOD B E，GREEN B D.Materials Outgassing Effects and Satellite Contamination Database[C]//38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.AIAA 2000-0241[B3]，2000.

[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.YUAN Xiao-xue，ZHOU Chuan-liang，YANG Dong-sheng.The Contamination Control of Aerospace Optical System[J].Spacecraft Environment Engineering，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.YUAN Xiao-xue，PANG He-wei，ZHOU Chuan-liang.Study on the Attenuation of the Solar Cell Power Output Caused by Molecular Contamination[J].Journal of Astronautics，2007，28（1）：118.

[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.YUAN Xiao-xue，YI Zhong，YANG Dong-sheng，et al.The Study of a New Technology for Space Environment Effects Monitor and Application[J].Space Electronic Technology，2013，10（1）：30—32.

[5] 周传良.高度污染敏感有效载荷的真空烘烤技术[J].航天器环境工程.2006.23（6）：340—343.ZHOU Chuan-liang.Vacuum Bakeout Technology for Spacecraft Payload with High Sensitive Contamination[J].Spacecraft Environment Engineering，2006，23（6）：340—343.

[6] 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—122.YUAN Xiao-xue，PANG He-wei，ZHOU Chuan-liang.Study on the Attenuation of the Solar Cell Power Output Caused by Molecular Contamination[J].Journal of Astronautics，2007，28（1）：118—122.

[7] 孙威，闫少光，田东波，等.“资源”卫星轨控推力器羽流场数值模拟[J].航天器环境工程，2008，25（3）：276—281.SUN Wei，YAN Shao-guang，TIAN Dong-bo，et al.Numerical Simulation of a ZY Satellite Orbit-control Thruster Plume[J].Spacecraft Environment Engineering，2008，25（3）：276—281.

[8] 刘向鹏，童靖宇，向树红，等.太阳电池阵基板原子氧防护膜试验评价研究[J].装备环境工程，2009，6（4）：16—18.LIU Xiang-peng，TONG Jing-yu，XIANG Shu-hong，et al.Test and Evaluation of Atomic Oxygen Protective Coating on Solar Cell Array Substrate[J].Equipment Environmental Engineering，2009.6（4）：16—18.

[9] 李涛，易忠，高鸿.航天器材料空间环境适应性评价技术[J].装备环境工程，2012，9（3）：37—40.LI Tao，YI Zhong，GAO Hong.Summarization Space Environmental Worthiness Evaluation Technology for Spacecraft Material[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（3）：37—40.

[10]王志浩，冯伟泉，赵春晴，等.航天器空间ESD干扰单机级试验方法研究[J].装备环境工程，2013，10（3）：16—20.WANG Zhi-hao，FENG Wei-quan，ZHAO Chun-qing，et al.Research of Unit Level Space ESD Interference Test Method for Spacecraft[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（3）：16—20.

[11]焦子龙，庞贺伟，易忠，等.航天器真空热试验污染物成分分析[J].航天器环境工程，2010，27（6）：711—714.JIAO Zi-long，PANG He-wei，YI Zhong，et al.Composition Analysis of Contaminant in Thermal Vacuum Test for Spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering，2010，27（6）：711—714.

[12]李娜，杨东升，于钱，等.卫星真空热试验星内污染检测分析[J].真空，2013，50（3）：17—19.LI Na，YANG Dong-sheng，YU Qian，et al.Detection and Analysis of Contamination Inside the Spacecraft in Vacuum Thermal Test[J].Vacuum，2013，50（3）：17—19.

[13]焦子龙，庞贺伟，易忠，等.利用色质谱方法检测卫星真空热试验污染物成分[J].中国空间科学技术，2008，28（6）：64—67.JIAO Zi-long，PANG He-wei，YI Zhong，et al.Identification of Molecular Contaminant in Thermal Vacuum Test by Using GC/MS[J].Chinese Space Science and Technology，2008，28（6）：64—67.

[14]臧卫国，院小雪，于钱.QK型石英晶体微量天平频温效应的初步研究[J].航天器环境工程，2011，28（4）：358—361.ZANG Wei-guo，YUAN Xiao-xue，YU Qian.The Frequency-Temperature Relaion for QK-quartz Crystal Microbalance[J].Spacecraft Environment Engineering，2011，28（4）：358—361.