空间环境太阳电池阵的一次静电放电的机理与防护

林 璠

（上海电机学院，中国 上海 201306）

空间并非空无一物， 空间中几乎到处存在等离子体。 等离子体是完全电离或者部分电离的气体， 所包含的正电荷和负电荷的数目完全相等。 空间等离子体的主要成分是质子和电子，并含有少量其他正离子。

在空间等离子体环境中，电子和质子的能量相当，由于电子的质量远小于质子的质量， 则电子的运动速度约为质子的43 倍，这意味着相同时间内入射到太阳电池阵表面的电子通量远大于质子通量， 因此， 电池阵表面就会累积负电荷。 电子与电池阵表面相互作用时，表面原子有可能吸收能量，释放出外层电子，形成二次电子发射。 在光照条件下， 电池阵表面将会产生光电效应， 引起光电流。 二次电子发射和光电流会减弱电池阵表面的负电位。 在太阳电池的表面， 一般使用玻璃盖片对太阳电池进行防护， 玻璃盖片的二次电子发射系数大于1，因此在充电过程中，玻璃盖片俘获的电子要远远少于太阳电池阵的其它材料。 这就使得玻璃盖片和电池阵的其它材料之间形成反向电位梯度， 即玻璃盖片电位大于其它材料电位。 由于盖片表面沉积了MgF2 减反射层，在光照期间，光子在盖片表面激发出更多的光电子， 使得玻璃盖片的电位进一步升高，从而诱发一次静电放电。

一次静电放电发生在太阳电池阵的三交结区[1]，如图1 中所示。 三交结区是指电池阵上绝缘体、 导体和等离子体三者交汇的区域。 一次静电放电具体过程如下： 以互连片处为例， 因为玻璃盖片和互连片之间存在反向电位梯度， 在交结区的附近形成电场； 在电场的作用下， 使互连片表面放出电子。 电子轰击盖片侧面使其发射电子（二次电子），引起交结区电场的升高。 与此同时， 被激活的二次电子使得玻璃盖片侧面吸附的中性气体脱离盖片形成薄薄的气体层。 在电场作用下，气体层电离，电离产生的正电荷流向互连片，负电荷流向玻璃盖片，导致静电放电，如图2 所示。 一次静电放电在放电地点产生一个高浓度的等离子体。等离子体中的电子移动到盖片表面与正电荷中和。 在移动过程中与气体分子碰撞激发出更多的电子和离子， 直至所有盖片表面的正电荷都被中和， 静电放电结束。

图1 电池阵上的三交结区

一次静电放电会造成太阳电池的性能衰退[2]。 按照在电池阵上出现的不同位置， 一次静电放电可以分为两类： 一种是在互联片和汇流条处的静电放电，另一种是在电池边缘的静电放电。 其中电池边缘的静电放电会损伤电池使其输出功率下降， 这是由于放电引起的焦耳热会破坏电池的P-N 结（如图3 中的类型2所示） 甚至使得P-N 结短路 （如图3 中的类型1 所示）。 其中类型1 情况下的静电放电对电池的破坏程度更为严重。

图2 一次静电放电过程示意图

图3 一次静电放电对电池的损伤

图4 脉冲电流和电压波形

一次静电放电会产生高电压、 强电场、 瞬态大电流，脉冲电流的上升时间快、持续时间短，并伴随有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲[3]，如图4 所示。 电磁脉冲具有前沿陡、功率高、频带宽等特点，可以直接进入电池阵的电子设备或者通过孔缝、 线缆等耦合作用进入设备内部的敏感电路上， 引起敏感电路的翻转、损坏，不仅可以对电子设备造成严重干扰和损伤，而且还可能形成潜在性危害， 使电子设备的工作可靠性降低，严重影响电池阵及卫星的在轨安全。

为了限制一次静电放电的发生， 可以采取消除或控制太阳电池阵表面电位的方法。 从原理上说， 基本上可分为主动和被动两类。

所谓主动控制，是在航天器上装设电位控制设备，其工作过程完全可控[4]，如图5 所示。电位控制设备在航天器表面发射荷电粒子束可以控制表面充电的状况。主动控制比被动控制更为灵活、有效和彻底。从理论上讲， 它是通过发射一束人造的荷电粒子流， 使进出航天器表面的各种电流总和等于零。 按通俗的说法， 可以认为控制装置喷射出的荷电粒子束流相当于给存在电位差的不同部分搭上一根 “含有一定电阻的导体”，使其电位差降为零，从而消除电荷的积累。

图5 空间站上的电子源

从控制原理上说， 只要能产生荷电粒子束的装置都可用作表面电位控制设备， 可以分为电子源、 离子源和等离子体源三种。 主动控制技术在国内外许多卫星和大型航天器上都有应用。 但是主动控制技术还没有应用于太阳电池阵， 可能是受限于该技术的复杂性以及设备重量、体积、功耗等原因。

所谓被动控制，是指通过结构设计、材料选择、接地设计等方法， 对空间静电放电进行抑制， 将卫星带电危险减至最小，包括：表面分区接地，降低电荷积累量； 尽量采用金属表面或表面金属化， 使沉积在表面的电荷通过接地导走； 涂敷特殊性能材料。 被动防护方法在航天器定型之前就要有具体的实施方案， 否则当航天器发射到空间后则不能再进行改动， 具有一定的局限，无法应对各种恶劣的突发情况。

图6 （a）ITO 膜盖片结构；（b）ITO 膜网络接地；（c）Rosetta 航天器上太阳电池阵表面ITO 网络

目前主要采取的防护方式是通过建立静电耗散通道， 将玻璃盖片表面的电荷及时疏导， 避免建立能够引起放电的电场分布[5]。 耗散通道的设计大致分为两种， 其一为太阳电池阵玻璃盖片表面连通共同接地，玻璃盖片表面的电荷通过互连结构共同耗散到接地线路， 可以将太阳电池阵玻璃盖片电位全部控制在参考电位， 这通常采用玻璃盖片表面蒸镀ITO 导电膜并互相连接实现， 如图6 所示。 电池片的表面覆盖有一定阻抗的ITO 导电薄膜，当单体太阳电池组成太阳阵后，每片玻璃盖片上的ITO 膜通过焊接电极以串联的方式实现相互联接， 之后再并联成网络， 通过汇流条与太阳翼铰链相连， 最后通过太阳帆板驱动装置接入航天器“结构地”，以实现电荷泄放的目的。 通过蒸镀ITO膜，使电池阵表面任意两点之间电位差不超过±1V。美国和西欧国家发射的航天器中，例如美国的探险者31号卫星、GEOS 卫星、 太阳观测卫星和测地卫星以及欧空局近期发射的Rosetta 卫星等，都在太阳电池阵表面使用了ITO 膜技术。图6（c）为欧空局发射的Rosetta 卫星用太阳电池阵表面的ITO 网络。 每片ITO 膜盖片上的四个角都蒸镀了电极， 用金属片连接， 然后通过导线连接成网络。这种设计对于GEO 航天器太阳电池阵的电位控制和静电防护非常有效，但是对于LEO 太阳电池阵的静电放电防护作用非常有限， 这是因为LEO环境中等离子体能量非常低、 密度非常大， 玻璃盖片表面电位非常低，通常约为1～2V 非常接近参考电位，即使采用这种设计太阳电池阵三结合区域的电场仍然能够形成，雪崩式的放电仍然具备产生条件。

图7 通过互连片点胶连接玻璃盖片上表面与太阳电池的下电极

耗散通道的第二种设计形式为， 通过建立玻璃盖片与电池电路的直接通道， 而无需建立玻璃盖片之间的连接通道， 这种设计可以消除三交结区电场的形成，根本上避免发生一次放电，既能够用于GEO 太阳电池阵，也适用于LEO 太阳电池阵[6]。 在太阳电池串联方向， 通过在互连片上点导电胶， 将玻璃盖片上的静电电荷通过互连片引入电池电路中， 实现单片电池的静电防护作用（如图7 所示）。 但是对于大面积太阳电池阵， 采用点胶需要增加人工成本， 难以满足快速制造需求。