浅析航天用太阳电池标定技术及标准

党欣

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

标准介绍与实施

浅析航天用太阳电池标定技术及标准

党欣

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

文摘：分析国内外主要航天用太阳电池标定技术和相关标准，结合多结太阳电池技术的发展，提出我国航天用太阳电池标定标准的修订建议。

太阳电池标定；电池标准；航天行业标准。

航天器光伏电源系统的研制，必须有高精度的太阳电池特性参数测试数据作为依据。航天器太阳电池阵通常由大量单体太阳电池组成，单体太阳电池电性能测试的微小误差将会对太阳电池阵设计造成严重的影响。如果测试结果偏高，太阳电池阵的实际输出功率就达不到设计要求，造成供电不足；如果测试结果偏低，则会导致太阳电池阵面积、重量以及成本的增加，造成资源的浪费。因此，需要太阳电池在AM0（大气质量为零状态）标准阳光条件下的参数，以便获得标准太阳电池，作为太阳电池、太阳电池组合及太阳电池阵设计与试验的基准。

太阳电池具有光谱吸收选择性特点，其电性能与入射太阳总辐照度和光谱分布有关。由于地面太阳辐射受到浓厚大气的吸收，其总辐照度和光谱辐照度分布与大气层外层的不大相同，而且会随不同地区（纬度）、不同季节、不同时刻变化。航天器的运行轨道通常是在大气层以外或者是接近大气层上界，即航天用太阳电池的实际工作环境的光照条件也是大气层外的阳光条件。国际上将大气层外的阳光辐照条件规定为空间太阳电池的标准测试光照条件，称为AM0阳光条件，确定标准太阳电池在标准光照条件下短路电流的过程就是标准太阳电池的标定。

1 国外航天用太阳电池标定技术及标准

目前，国际上主要的航天机构在太阳电池标定技术领域均开展了长期的研究工作。国际标准ISO 15387-2005《Space systems-Single-junction solarcells-Measurementandcalibration procedures》（航天系统-单节太阳电池-测量与标定程序）规定了单节太阳电池测量与标定程序要求，标准正文规定了大气质量为零状态（AM0）下的标定要求，在附录中提供了相关测量细节。该国际标准列入了目前实际应用的几种标定方法：高空气球标定法、高空飞机标定法、地面直接阳光标定法、太阳模拟器法和微分光谱法。

美国NASA/JPL（国家航空航天管理局/喷气实验室）试验室从上世纪60年代开始使用“高空气球标定法”。其具体做法是：利用高空氦气球将太阳电池送到距地面35km左右的高空，使电池对日定向并自动测量其短路电流，然后将测试结果通过无线电传回地面，测试结束后利用降落伞将电池回收。由于在35km左右的高空剩余只有不到0.5%的大气，地球大气对于阳光几乎没有影响，这时的阳光条件非常接近AM0阳光条件，因此可得到准确的标定结果。美国和欧洲的主要航天机构都利用这种手段得到AM0标准太阳电池。

美国NASA刘易斯研究中心从1963年开始采用“高空飞机标定法”。其具体做法是：将待标定的太阳电池安装在开有窗口的高空飞机上，在不同的飞行高度上测试电池的短路电流，并计算出各飞行高度对应的大气质量，画出短路电流相对大气质量的关系曲线；短路电流的自然对数与大气质量呈线性关系，将曲线外推到大气质量为零处，即可得到标定结果。由于飞机不能到达像气球那样的高度，不能排除地球大气对阳光的影响，因此只能用外推的方法得到太阳电池的AM0短路电流。与无人操纵的高空气球相比，高空飞机具有更大的灵活性、能够比较方便地对日定向、更换和回收太阳电池以及受天气条件影响小等优点，美国NASA仍将其作为AM0标准太阳电池的主要标定手段。高空飞机标定方法的主要问题是：由于采用外推方法，不能排除高层大气对阳光的影响，需要对高层大气的性质及其运动规律有详细了解，以及大量的飞行经验，否则外推的误差将会很大。

“太阳模拟器法”和“微分光谱法”可在实验室进行标定，使得标定工作更加方便。人造太阳模拟器光源在光谱上与标准AM0光照条件有一定的差异，会给测试带来严重的误差。因此，实际的标定过程是：选择一片与被测太阳电池性能一致或接近的标准太阳电池，然后用它来调节太阳模拟器光强，只要将模拟器的光强调整到能使标准太阳电池短路电流输出与标准光照条件下的数值一样，用这时的光照条件对被测电池进行测试，其结果就与被测电池在标准光照条件下的测试结果相同。

2 我国航天用太阳电池标定技术及标准

“地面直接阳光标定法”为中国空间技术研究院（CAST）研究提出的方法（在本文第3章进行详细介绍）。这种方法可在地面进行，不需要高空气球或飞机等昂贵的运载工具，因此费用较低。但由于测试要求在地面良好的阳光条件下进行，受天气的限制较大，需要选择适当的季节和地点才能得到准确的标定结果。

目前，我国航天用太阳电池标定标准为GB/T 6496-1986《航天用太阳电池标定的一般规定》、规定的地面直接阳光标定法。该方法参加了两次太阳电池国际标准标定测试巡回比对，测试结果偏差在1%左右。该方法通过光谱修正将在地面阳光测得的太阳电池的短路电流换算到标准AM0阳光条件下的短路电流标定结果[1]。其标定原理是：选择室外直接阳光下测量太阳电池的短路电流、温度、太阳辐照度和太阳光谱辐照度，以及测量太阳电池的光谱响应，利用公式（1）即可得到太阳电池在AM0标准阳光下短路电流（Isc0）：

式中：Im——太阳电池短路电流实测值；Em——地面阳光辐照度实测值；Es（λ）——地面阳光光谱辐照度实测值；E0（λ）——AM0标准阳光光谱辐照度；SR——太阳电池相对光谱响应实测值。

3 地面直接阳光标定法的局限性及高空标定和空间标定方法

3.1 我国航天用太阳电池标定的局限性

随着空间技术的飞速发展，多结砷化镓太阳电池以其更高的转换效率、更好的抗空间辐照能力、更低的温度效应等优点，逐步取代了硅太阳电池成为空间主要发电装置。多结太阳电池与单节太阳电池的工作原理相同。不同的是单节太阳电池有1个PN结组成，吸收特定光谱的太阳光，其转换效率较低；多结砷化镓太阳电池由多个PN结串联组成，采用高导电率、高遂穿电流的隧道结连接，用不同禁带宽度的材料制备PN结，按禁带宽度大小叠合，分别有选择性地吸收和转换太阳光谱的不同波段，从而达到大幅度提高太阳电池转换效率的目的。

多结电池的结构特点使得其标定和测试都变得比单节电池复杂得多，采用地面直接阳光标定方法从理论上遇到了严重的困难。由于多结太阳电池的光谱响应组成具有复杂的开头和较宽的波长范围，而一般的太阳模拟器的光谱辐照度与标准光谱辐照度有较大的差异，使得测试光源的设定不能像测试单节太阳电池那样通过简单的调节模拟器的光强来完成[2]。因此，只有在太阳电池的实际使用环境中进行标定，才能够更准确地评价其性能指标。

3.2 航天用太阳电池的高空标定和空间标定方法

我国分别于2006年和2012年进行了高空气球标定试验，对搭载的单晶硅和砷化镓太阳电池进行了标定，取得了初步成果，但在标定设备研制、标定程序设计等方面还需要改进和完善。

空间标定是航天太阳电池标定技术的发展方向，国外航天机构正规划通过载人空间站进行太阳电池标定。外层空间太阳电池标定的搭载方法很多，无论在何种搭载媒介上，在对太阳能电池进行标定时，都需要使太阳能电池处在最理想的空间标定环境中，其中最主要的是太阳光对太阳能电池的直射条件。为促进新型太阳电池的研制和应用，需要设计一套太阳电池空间标定装置，保证在对太阳能电池进行数据采集时能够使太阳直射电池，从而能够保证采集数据的可靠性、有效性和真实性[3]。

4 建议

目前，我国航天用太阳电池标定技术和现有标准已不完全适应多结砷化镓太阳电池，需要结合多结太阳电池标定技术发展和实际测试情况对标准进行修订。同时，为了更精确的进行太阳电池标定，需不断完善高空标定技术、研究发展空间标定技术，促进我国航天新型太阳电池的研制和应用。对我国航天太阳电池标定技术的发展及相关标准修订建议如下。

a）我国航天用太阳电池高空气球标定技术尚不完善，空间标定尚未开展，目前还应继续沿用地面直接阳光标定法。

b）虽然地面直接阳光标定法不能直接进行多结太阳电池的标定，但多结太阳电池可以做成标准子太阳电池，标准子太阳电池都是单节结构，多结太阳电池的标定可以转化为对多个单节太阳电池的标定。GB/T 6496-1986应增加多结太阳电池采用地面直接阳光标定法的相关要求。

c）参考ISO 15387-2006，继续开展高空气球标定工作，对测试结果的重复性、稳定性和准确性进一步验证，确定高空气球标定系统的系统误差，完善高空气球标定技术并相应开展标准的修订工作。

d）后续研究发展空间标定技术，实现对太阳电池最精确的标定。

[1]Results from the 1st international AMO calibration round Robin of silicon and GaAs solar cells，3rd WCPVC，2003.5.

[2]孙皓，等．光谱失配对标定太阳电池产生的影响分析[J]．中国军事科技期刊，2011（5）．

[3]张亚，等．太阳电池空间标定技术初探[J]．宇航计测技术，2010（2）．

党欣（1983年—），男，工程师，现从事航天电源系统标准化工作