空间用太阳电池红外干涉截止滤光技术研究

雷 刚，曹佳晔，王艺帆

（上海空间电源研究所，上海 200245）

0 引言

自1958年世界上首颗采用常规硅太阳电池供电的卫星——美国先锋一号（Vanguard I）成功发射起，世界上很多航天器将各种类型的硅太阳电池作为主电源。为抵御空间环境中粒子辐照对电池的损伤从而影响电池性能，一般在电池的上表面粘贴掺二氧化铈抗辐照玻璃盖片制成叠层电池。硅太阳电池的工作状态与电池温度密切相关，电池温度每升高1℃，输出功率将减少0.4%～0.5%［1］。尤其是采用陷光结构的高效硅太阳电池，因对红外光的吸收强烈，其太阳吸收率高达0.86以上，输出功率会因温度升高而显著下降，这大大降低了其竞争优势。为解决该问题，需采用多层光学薄膜的干涉作用以过滤对电池转换效率无贡献的红外光。国外对此开展了大量研究并已在空间领域得到了大量应用：MULLANEY等最先报道了采用红外滤光技术使硅电池的太阳吸收率降低到0.77以下；RUSSELL等研究了更宽通带的红外滤光技术并用于三结砷化镓电池，使三结砷化镓电池的太阳吸收率降低到0.83以下；QIOPTIQ公司已形成了系列产品并用于多个航天器［2－7］。但国内尚缺乏系统的研究，更无空间应用实例。为此，本文对空间用太阳电池红外干涉截止滤光技术进行了研究。

1 理论分析

1.1 玻璃盖片透射率对电池性能的影响

定义太阳电池转换效率

式中：VOC为开路电压；JSC为短路电流密度；γFF为填充因子；P为AM0太阳常数。

太阳电池的JSC取决于入射光的强度和量子效率，有

式中：q为电子电荷；h为普朗克常数；c为真空光速；λ为波长；P（λ）为AM0光谱的辐照度（如图1所示）；Q（λ）为太阳电池的外量子效率，其定义为波长λ的单色入射光的光子数量与电极收集的载流子比，可由量子效率测试仪测出。

图1 AM0光谱辐照度分布Fig.1 AM0spectrum

太阳电池在空间应用时，需粘贴抗辐照玻璃盖片制成叠层太阳电池，如图2所示。设玻璃盖片的透射率为T（λ），则入射到电池表面的光强为P（λ）T（λ），有

由此可知，玻璃盖片在400～1 100nm范围内的的透射率越高，电池的转换效率就越高。因此，玻璃盖片的上表面一般蒸镀一层MgF2减反射膜（AR），以提高盖片的透射率，这种盖片在400～2 000nm的广大范围内透射率均大于90%。

图2 叠层太阳电池Fig.2 Solar cell with coverglass

1.2 玻璃盖片反射率对电池性能的影响

太阳电池阵在空间吸收太阳光的能量而被加热并以热辐射的方式向周围散热，根据热平衡方程可推导出太阳电池的工作温度

式中：αS为叠层电池的太阳吸收率；FP为布片系数；η为电池在轨转换效率；εF，εB分别为电池阵的正、背面半球向辐射率；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数［8］。

对式（4）求导，为简化计算忽略η随温度的变化，可得

式（5）除以式（4）可得太阳电池的工作温度变化与太阳吸收率变化间的关系为

定义太阳吸收率

式中：R（λ）为叠层电池的反射率。由此可知：为降低太阳吸收率，降低电池的工作温度，从而提高电池的在轨输出功率，需提高太阳电池响应光谱范围外的反射率。

因蒸镀MgF2减反射膜的普通玻璃盖片有很高的透射率，故叠层电池的反射率主要取决于裸电池的反射率。受电池结构影响，裸电池在红外波段无法得到很高的反射率，尤其是采用了陷光结构的高效硅太阳电池，其红外波段的反射率小于50%，因此较高的太阳吸收率影响了空间使用效果。

一种有效的解决方法是在玻璃盖片上制备红外干涉截止滤光片，滤光片的通带保证对电池有用的光能顺利通过，而截止带阻止对电池转换效率无贡献的红外光进入电池，从而在保证不影响电池转换效率的基础上降低电池的太阳吸收率。

2 红外干涉截止滤光片设计

红外干涉截止滤光片（IRR）的基本原理是在玻璃基片上制备一系列特定组合的薄膜，利用光的干涉作用，使薄膜在可见光波段呈现高透射率的通带，而在红外波段呈现高反射率的截止带。硅太阳电池的响应光谱为400～1 100nm，滤波片的通带宽度需大于700nm。为降低玻璃盖片对可用光的反射率，在上表面需蒸镀一层减反射膜，其结构如图3所示。

图3 采用红外截止滤光片的玻璃盖片结构Fig.3 Schematic of IRR structure

图4 采用 ［L］S膜系结构设计的IRR透射光谱Fig.4 Transmission spectrum of IRR with structure of［L］S

为改善IRR的性能，可在上述两种材料间插入一种介质材料，该介质材料的折射率介于上述两种材料间，且三种材料的折射率实部尽可能接近，即构成［LMHML］S膜系［9］。为进一步改善通带宽度，需对［LMHML］S膜系进行优化。以前的优化方法是在该膜系的两侧再增加其他中心波长的［LMHML］膜层［10］。本文用 TFCalc软件直接对［LMHML］S膜系中每层的膜厚进行优化处理，可获得更好的效果，优化后的透射光谱如图5所示。由图可知：改进后IRR的通带为400～1 100nm，透射率大于95%，截止带透射率接近0%，可满足硅太阳电池的要求。

3 红外干涉截止滤光片制备与测试

在光学真空镀膜机中制备红外干涉截止滤光片，采用电子束蒸发的方式在玻璃盖片上蒸镀带通膜，由晶振膜厚控制仪保证膜厚的精度，并采用了离子辅助技术。

图5 采用［LMHML］S膜系结构设计的IRR透射光谱Fig.5 Transmission spectrum of IRR with structure of［LMHML］S

采用Cary5000型紫外－可见光－近红外分光光度计对制备的IRR的透射光谱进行了测试，结果如图6所示。由图可知：采用IRR后玻璃盖片在400～1 100nm范围内的透射率基本达到了普通玻璃盖片的水平，在大于1 200nm处的红外光透射率明显低于普通玻璃盖片，说明IRR对红外光有良好的截止作用。

图6 采用IRR盖片和普通盖片的透射光谱实测值Fig.6 Transmission spectrum of cover glass with IRR and AR

4 红外干涉截止滤光片性能分析

将采用IRR的玻璃盖片贴在背场硅太阳电池（BSFR）和高效硅太阳电池（PERL）上制成叠层电池，对叠层电池的反射率R进行了测试，结果如图7、8所示。对叠层电池在标准条件下（AM0、25℃）的短路电流和输出功率进行了测试，并由式（6）、（7）计算采用IRR后太阳电池的太阳吸收率和在轨性能变化，结果见表1。上述测试和计算均以普通玻璃盖片作为基准。

由图7、8可知：采用IRR后，BSFR，PERL对红外光的反射率均明显上升，其中对红外光吸收较强烈的高效硅太阳电池的提升效果更明显。由表1可知：采用IRR后，BSFR，PERL在标准条件下的输出功率略有下降，这是因为采用IRR后玻璃盖片在400～1 100nm范围内的透射率总体略降，但太阳吸收率以及在轨工作温度与普通盖片相比出现明显下降，因此在轨输出功率有显著上升，尤其是PERL的在轨输出功率提升了3.3%，效果明显。

图7 采用IRR盖片和普通盖片的BSFR叠层电池的反射光谱Fig.7 Reflectance spectrum of BSFR cells with BRR and AR

图8 采用IRR盖片和普通盖片的PERL叠层电池的反射光谱Fig.8 Reflectance spectrum of PERL cells with BRR and AR

表1 采用IRR后太阳电池性能变化Tab.1 Efficiency gains for IRR on silicon cells

5 结束语

本文对空间用太阳电池红外干涉截止滤光片结构设计和制备工艺进行了研究。设计了一种红外干涉截止滤光片，用电子束蒸发方式在玻璃盖片上制备出符合设计要求的滤光片。对滤光片性能的测试结果表明：研制的滤波片可有效过滤对硅太阳电池转换效率无贡献的红外光，硅太阳电池在轨工作温度降低5～10℃，输出功率增加1.4%～3.3%。该滤光片的研制对促进高效硅太阳电池的空间应用有一定的意义。

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［10］ 杨文华，李洪波，解光军，等.硅太阳电池用UV／IR截止滤光膜系设计［J］.太阳能学报，2007，28（3）：257-261.