低轨道高压太阳电池阵充放电效应防护薄膜技术研究

史　亮，陈益峰，秦晓刚，汤道坦，柳　青，李中华

（兰州空间技术物理研究所 a.空间环境材料行为及评价技术重点实验室；b.真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

低轨道高压太阳电池阵充放电效应防护薄膜技术研究

史亮a，陈益峰b，秦晓刚b，汤道坦b，柳青a，李中华b

（兰州空间技术物理研究所 a.空间环境材料行为及评价技术重点实验室；b.真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

星用高压太阳电池阵已得到越来越多的应用，但其充放电效应防护问题仍未得到彻底解决，限制了其在低轨道航天器的应用。提出了一种星用高压太阳电池阵充放电防护薄膜技术，通过隔离太阳电池表面与空间等离子体的相互作用，从而防止充放电效应发生。防护薄膜具有ITO/硅氧烷/透明基底的复合结构，其透过率超过90%。验证试验结果表明，防护薄膜可以有效防止高压太阳电池阵在低轨道环境中发生充放电现象。

高压太阳电池阵；充放电效应；防护薄膜

0　引言

随着航天技术发展，高性能卫星平台和大型航天器已经越来越多的使用高压供配电系统。但是，自上世纪90年代至今，星用高压太阳电池阵（太阳电池阵母线电压≥100 V）在航天器上已经发生了多起由充放电效应导致的故障甚至卫星失效事件[1-2]。

国内外针对星用高压太阳电池阵充放电效应防护问题，提出了多种防护方法。中高轨道航天器中应用的方法主要是电池串间涂敷室温硫化硅橡胶的方法，该方法可以在不改变高压太阳阵设计结构的情况下，在相邻电池串间形成势垒层，阻碍串间临时性短路通道的形成，使太阳阵功率输出不能维持。并对聚酰亚胺基底起到热保护作用，防止由于温度过高使基底材料热解击穿。但是，针对低轨道环境中的高压太阳电池阵充放电效应，还没有很好的被动防护方法。运行于低地球轨道（LEO）的国际空间站上使用了高压太阳电池阵，为了保障空间站在轨安全和航天员出舱时的人身安全，使用了电位主动控制方法，但是由于其技术复杂以及重量、体积、功耗等原因也限制了其在一般卫星上的应用[3-4]。有鉴于此，开发了一种透明导电复合防护薄膜，可以有效防止充放电现象的发生。

1　薄膜设计及制备

通过大量分析研究发现，高压太阳电池阵在空间环境中，与空间等离子体作用，会产生结构电位高于太阳电池表面电位的现象（如图1所示），即反转电位梯度（Inverted PotentialGradient，IPG），反转电位梯度就是高压太阳电池阵在轨发生放电的主要原因[5-9]。

图1　正常电位梯度（NPG）与反转电位梯度（IPG）

因此，如果在太阳电池阵表面覆盖一层防护薄膜，从而隔绝空间等离子体环境与太阳电池的相互作用，就可以在根本上防止太阳电池阵充放电效应的发生。要实现这一目标，防护薄膜必须满足三个要求：（1）较高的可见光透过率，尽量减少对太阳电池阵发电的影响；（2）表面具有良好的导电性，不会造成不等量带电；（3）较好的空间环境适应性，保证薄膜在轨长期使用时性能稳定。

设计了一种氧化铟锡/硅氧烷/聚酰亚胺三层结构的复合薄膜。复合薄膜基底材料选择厚度为0.25μm的透明聚酰亚胺薄膜，该材料为航天器表面常用的聚合物材料，多用于热控薄膜基底、导线绝缘层制备等用途，具有良好的延展性，抗冷热冲击性能和耐辐射性能。薄膜表面是利用磁控溅射技术制备的一层厚10～20 nm的氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）膜。ITO膜是目前研究和应用最广泛的透明导电薄膜，其电阻率介于105～106Ω·cm之间，可见光的透过率达85%以上，并且具有良好的化学稳定性，不会与空间原子氧发生反应[10]。但是由于ITO本身较脆，在安装和使用过程中会产生微小裂纹，不能隔绝原子氧与基底材料的反应，因此在导电层与基底材料之间增加了原子氧防护层。在基底材料上利用等离子体聚合技术制备一层厚度150 nm左右的硅氧烷膜。硅氧烷膜具有高的热稳定性、高的氧化稳定性、良好的抗辐照性、极低的表面张力等物理化学特性。试验表明，具有硅氧烷镀层的聚酰亚胺材料在累计通量为1024atoms/m2的原子氧（相当于380 km高度轨道10年的原子氧通量）作用下，质量无明显变化，耐氧化性能优于SiO2、SiOx防护镀层[11]。

按照上述方法制备的透明导电复合薄膜，表面电阻率小于106Ω·cm，使用Lambda900紫外可见近红外分光光度计对薄膜的全光谱透过率进行了测试，测试结果如图2所示。

图2　薄膜全光谱透过率测试结果曲线图

从图2测试结果可看出，在波长500～1 500 nm范围内，透明Kapton基底的平均透过率在91%以上。在表面增加了硅氧烷之后，由于透过率有所上升，平均透过率达到93%左右。在增加ITO镀层，完成复合膜制备之后，平均透过率又恢复到91%以上。以上结果已经超过国外同类薄膜88%的最大透过率[12]，这说明ITO+硅氧烷复合层对基底膜的光学性能没有影响，在改进工艺后，有可能会进一步提高复合薄膜的光学透过率。因此，复合薄膜的透过率取决于基底材料的透过率性能。

2　验证试验

（1）对太阳电池性能影响

将制备好的复合薄膜包覆在三结砷化镓太阳电池表面，进行了薄膜对太阳电池性能影响的性能测试，并利用电池的输出电流变化反推薄膜的透过率。测试结果与全光谱透过率测试结果较为一致，如表1所列。因此，薄膜对太阳电池发电效率造成的损耗小于10%。

表1　复合薄膜对三结砷化镓太阳电池性能的影响测试结果

（2）充放电防护性能试验

通过地面模拟试验对复合薄膜在LEO轨道环境中的带电防护性能进行了验证试验。试验中使用空间等离子环境模拟实验系统，如图3所示，模拟LEO低温稠密等离子体环境，具体参数如表2所列。

为了模拟太阳电池阵在轨实际使用工况并对其放电进行监测，设计了如图4所示的试验电路。在该电路中，V为电压表，监测回路内电压；T1、T2为Tek P6022电流探头，用来监测放电脉冲；C1、C2、C3为太阳电池阵对基板模拟电容，C1=C2=C3=1 uF；C4为卫星结构对空间的电容，C4=2 uF；L1为卫星结构对空间的电感，L1=8 mH；R为回路负载电阻，0～200Ω可调；R1、R2为卫星结构电阻，R1=94Ω，R2=10 kΩ；P1为模拟直流电源，为太阳电池串间提供工作电压，0～160 V可调；P2为直流电源，为太阳电池串间提供偏置电压，0～-5 000 V可调。

试验样品为三结砷化镓太阳电池组件。样品基板为碳纤维铝蜂窝结构，基板上覆盖有Kapton膜作为基底绝缘材料，互联材料为银。通过电路将太阳电池分成两串，组成2×3结构，形成太阳电池阵样品。

表2　LEO等离子体环境模拟参数

图3　空间等离子环境模拟实验系统

图4　试验电路原理图

试验中待模拟LEO等离子体环境的参数达到表2的数值后，将电池样品偏置电压设为100 V，串间电压从50 V开始，每隔10 min增加10 V。最高串间电压设为160 V，如有二次放电发生即中止试验，试验结果如表3所列。在上述试验条件下，太阳电池阵样品静电放电（一次放电）次数随着串间电压升高而增多，其典型放电波形如图5所示，且在串间电压达到80 V时样品就发生了二次放电现象，太阳电池样品瞬间被击穿短路，样品串间基底材料形成短路通道。模拟电源处于恒流状态，I=2.1 A。

表3　未防护样品试验结果

图5　样品发生静电放电时监测到的典型放电波形

用防护薄膜将其中一块相同的太阳电池阵组件包覆，如图6所示，薄膜表面接地。使用与上述试验相同的参数对薄膜包覆后的样品进行模拟试验，试验过程中，包覆薄膜的太阳电池未发生放电现象。试验结果表明，透明导电复合薄膜能够有效防止太阳电池阵充放电效应的发生。

图6　薄膜包覆样品试验前后对比

3　总结

使用高压太阳电池阵已成为高性能卫星的必然趋势，但是其充放电防护问题未得到彻底解决。提出了一种氧化铟锡/硅氧烷/聚酰亚胺三层结构的透明导电复合薄膜，其表面电阻率小于106Ω·cm，可见光波段的平均透过率达到91%以上，对三结砷化镓太阳电池发电效率造成的影响小于10%。对复合薄膜在LEO轨道环境中的带电防护性能进行的地面验证试验结果表明，对于相同的太阳电池阵样品，未防护的样品静电放电次数随着串间电压升高而增多，且在串间电压达到80 V时样品就发生了二次放电现象，而使用防护膜进行防护的样品未发生放电现象，因此透明导电复合薄膜具有良好的防护性能，可以有效防止LEO环境中的星用高压太阳电池阵发生放电。

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THE STUDY OFDEFENDING FILM OF LEO SATELLITEHIGH-VOLTAGE SOLAR ARRAY CHARGING EFFECT

SHILianga，CHENYi-fengb，QIN Xiao-gangb，TANG Dao-tanb，LIU Qinga，LIZhong-huab
（a.Science and Technology on M aterial Perform ance Evaluating in Space Environment Laboratory，b.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

Satellite high-voltage solar array has been appliedmore and more，but the on-orbitanomalies and failures of the satellite occurred sometimes，becauseof the charging effecton high-voltage solar array.Thispaper presenta defending film of satellite high-voltage solar array charging effect.This film can avoid the charging effect，by preventing the interaction between solar array and space plasma.The structure of this film is ITO/HMDSO/transparent film，transparent conductive of the film ismore than 90%.The charging effect protection ability of this film has been tested，the results proved the film would avoid the charging effect，when high-voltage solararray fly in the LEO environment.

high-voltage solararray；charging effect；defending film

O484；TM 914.4

A

1006-7086（2016）01-0035-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.008

2015-10-26

史亮（1979-），男，甘肃平凉人，工程师，硕士，从事空间环境效应评价与防护技术研究。E-mail:8269122@qq.com。