太阳电池抗激光辐射效应研究

吕 伟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

太阳电池抗激光辐射效应研究

吕 伟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

激光武器不仅可用于战术防空、战区反导，像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等，同时还可用摧毁对方的卫星。介绍了YAG激光武器对卫星用太阳电池的辐射效应，通过实验结果阐述了激光武器对太阳电池的损伤方式和损伤效应。

激光武器;太阳电池;功率密度

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。它既可以在地面使用，也可以与航天器相结合部署在宇宙空间，对对方的空中目标实施闪电般的攻击，以摧毁对方的侦察卫星、预警卫星、通信卫星等。

卫星在轨运行时两个太阳翼展开，太阳电池直接暴露在外层太空之中，其面积为几平米到几十平方米甚至更大，且不像星上其他部件单机有卫星蒙皮、机壳提供很大面密度的屏障，所以最容易成为激光攻击的目标。作为卫星电源系统的重要发电器件，太阳电池是卫星电源抗辐射加固的重点。太阳电池阵是整个卫星的电力系统，太阳电池阵一旦失效，卫星将会因电力缺乏而导致最终失效。

1 工作原理

1.1 太阳电池工作原理

太阳电池阵的作用是在光照期为整个卫星及其负载提供电能。太阳电池阵是由单体太阳电池通过串、并联构成的阵列。

太阳电池利用光生伏特效应将太阳光 (基本为可见光波段)能量转化成电能。目前，卫星采用的太阳电池类型为Si(基底为硅)、GaAs(基底为锗)等。太阳电池的结构如图1所示，包括基底和PN结区、增透膜、防紫外滤光膜、胶层和盖片(熔融石英或铈玻璃)、抗静电涂层等[1]。

激光照射到材料表面时，一部分被材料表面反射、一部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。只有被吸收的激光能量才会对材料产生作用。材料对激光的吸收除了取决于材料的种类外，还与激光的波长有关。连续的激光辐照太阳电池在国内开展的工作较少。

图1 太阳电池结构模型图

1.2 激光武器对太阳电池的损伤机理

激光武器对太阳电池的损伤主要是两种机理：

(1)对太阳电池的影响表现为热损伤，随着辐照过程中电池温度升高，电性能降低或基本消失，但辐照结束后，太阳电池的电性能基本恢复，开路电压Voc和短路电流IS比辐照前要低一些，这主要是由于太阳电池P/N结还未被击穿，但被激光辐照的太阳电池正面产生了一个圆形斑痕，在激光光斑区域产生了较轻微的融蚀，背面的银膜发生了氧化变色，因而影响了太阳电池功率。因此在此段功率的激光辐照后，太阳电池以及太阳电池阵供电系统仍能正常工作。

(2)大功率激光辐照太阳电池一定时间后，无论是辐照中还是辐照后，太阳电池皆无电性能，且辐照后电池的电性能永久丧失，不可恢复，即太阳电池P/N结已被击穿。

2 实验

2.1 实验方案

实验所用激光武器是YAG(钇铝石榴石)，波长为1.319 μm，型号为Minilite-Ⅱ，总功率为50 W。通过调节激光武器的功率使激光武器的出光功率，在辐照前、辐照过程中的不同时间以及辐照后测试太阳电池的I-V曲线，观察太阳电池表面变化情况。

2.2 实验设备

YAG激光武器辐照实验使用的仪器和设备包括：

(1)激光武器为 YAG 激光武器(1.319 μm、50 W)。

激光武器激光功率密度和能量密度的计算公式分别为：

式中：P为激光功率；t为激光作用时间；d为激光能量的光斑直径；I0为功率密度；E0为能量密度。

(2)卤钨灯：作为太阳辐射的简易模拟装置，功率为800 W。

(3)I-V曲线测试仪：型号为MP160，用以测量太阳电池的输出特性曲线。

(4)功率计：型号为LP-3B、LP-3C，测量范围为0～200 W。温度测试仪器。采用PXI-1011数据采集仪和K型热电偶，以及相应的热电偶调理模块组成。

还包括实验平台、光学元器件、录像机、照相机等。

2.3 实验样品

本次实验选用的电池尺寸为：硅电池20 mm×40 mm,砷化镓电池30 mm×40 mm电池,这是目前太阳电池阵普遍采用的电池。电池样品如图2和图3所示。

图2 硅单体电池图

图3 砷化镓单体电池

3 实验结果

通过调节功率和光斑的大小改变了功率密度，同时也做时间上的调整，经过多次正交实验得出下文的实验结果。砷化镓太阳电池的各个功率点的阈值表，见表1。根据表1可以绘出功率曲线图，如图4和图5所示。

表1 砷化镓太阳电池的各个功率点的阈值表

图4 砷化镓电池功率损伤曲线

图5 砷化镓电池能量损伤曲线

硅太阳电池的各个功率点的阈值表，见表2。根据表2可以绘出功率曲线图，如图6和图7所示。

由于受激光武器总的功率的限制，实验中硅太阳电池的损伤阈值在45 W(功率最大)时3.5 s为损伤的最小时间。由于砷化镓电池的吸收能量比较高，所以在26 W时0.5 s就将电池彻底物理击穿，而在此功率下根本无法将硅太阳电池击穿损伤。

表2 硅太阳电池的各个功率点的阈值表

图6 硅太阳电池损伤功率曲线

图7 硅太阳电池损伤能量率曲线

由图8、图9的温升曲线可以看出，硅太阳电池和砷化镓太阳电池的温升变化规律是一致的，只是由于功率密度的不同，辐照时间不同造成的最高温度点不同。

图8 砷化镓太阳电池光照期间温度变化(166 W/cm2)

图9 硅太阳电池光照期间温度变化(396 W/cm2)

对实验过的电池进行拍照，图10为被击穿(无性能)的硅太阳电池，图11为激光击打点的放大图(放大250倍)。图12为未被击穿(有电性能且与辐照前相同)的硅太阳电池，图13为激光击打点的放大图(放大250倍)。图14为被击穿(无性能)的砷化镓太阳电池，图15为激光击打点的放大图(放大250倍)。图16为未被击穿(有电性能且与辐照前相同)的砷化镓太阳电池，图17为激光击打点的放大图(放大250倍)。

图10 无性能硅电池（击穿）

图11 激光辐照的硅电池放大图

图12 激光辐照的硅电池（未击穿）

图13 激光辐照的硅电池放大图

图14 激光辐照的砷化镓电池（未击穿）

图15 激光辐照的砷化镓电池放大图

图16 激光辐照的砷化镓电池（击穿）

图17 激光辐照的砷化镓电池放大图

4 结论

YAG激光对太阳电池的损伤主要是热烧蚀效应。当YAG激光照射到太阳电池表面时，其一部分被太阳电池表面反射，而另一部分则被太阳电池的基体(太阳电池以及抗辐照玻璃盖片)吸收。当YAG激光光束照射到太阳电池上时，由于太阳电池表面的抗辐照玻璃盖片对1.319 μm的YAG激光的透过率很高，达93%以上，绝大部分的YAG激光的透过玻璃盖片，其中一部分被太阳电池反射掉，而另一部分则被太阳电池吸收。这些能量被太阳电池吸收后，使太阳电池局部温度升高，由于太阳电池的反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快，因此，随着太阳电池结温的上升，反向饱和电流密度也迅速上升，产生的热能也迅速增大，进而又导致结温上升，反向饱和电流密度增大。当激光功率达到一定阈值时，如此反复下去，最后使反向饱和密度无限增大而发生PN结击穿。于是太阳电池电性能永久失效，并不可恢复。需要说明的是，被辐照后太阳电池表面较大的圆形斑痕并不是激光作用光斑，而是激光加热硅或砷化镓材料以后，通过热传导的方式再加热玻璃盖片，导致玻璃盖片与硅材料的接触面被融蚀后产生的。

[1]汉斯.S.劳申巴赫.太阳电池阵设计手册[M].张金熹，廖春发，傅德棣，等译.北京:宇航出版社,1987：125-129.

Effect of laser's radiation on solar cell

LV Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Laser can not only apply to tactical air defense,war zone anti-missile,attack and slaughter enemy as conventional weapon,destroy tank and plane,but also apply to destroy enemies'satellite.The effects of YAG laser's radiation on solar cell for satellite were introduced,which was applied to satellite,and the laser's damage ways and the effect on solar cell were explained according to experience's result.

laser;solar cell;power density

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1022-03

2016-12-15

吕伟（1972—），男，天津市人，硕士，高级工程师，主要研究方向为太阳电池阵。