空间三结太阳电池用激光防护盖片研究

孙希鹏，李晓东，杜永超,2

(1.天津恒电空间电源有限公司，天津 300384；2.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

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。根据发射激光的工作物质状态的不同，可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。激光具有很好的方向性，发散角非常小，通常在毫弧度量级(mrad)，因此，激光武器能够实现远距离精准打击，其攻击范围可达数十甚至数百千米。

激光武器对于目标的破坏效应主要包括烧蚀效应、激波效应以及辐射效应。激光武器的破坏效应已被广泛运用于防空、反坦克、反导弹等方面。激光武器命中目标后，会造成目标功能的短暂或永久性失效，在现代战场上具有效率高、响应快的优点。美国目前已发展了机载、舰载、车载、天基和地基等激光武器，研制出了在宇宙空间中运行的激光战斗卫星，对空间轨道中的人造卫星等航天器造成重大威胁[1]。

激光武器对人造卫星的破坏效果可分为两种。一种是对重点元器件的破坏，如某些光学元件或灵敏度较高的探测系统，被破坏后会使得卫星的重点功能失效。另一种是对能源系统的破坏，即对卫星太阳电池翼的破坏。太阳电池是人造卫星等航天器的主要能量来源，当人造卫星在轨运行时，完全展开的太阳电池翼面积是卫星主机部分的数倍甚至十数倍，因此太阳电池翼也是激光武器的主要攻击对象[2]。一旦太阳电池翼受到破坏，电池局部或整体必然发生失效，最终导致卫星失去电力供应，无法正常工作，甚至失控坠毁。

为了确保我国卫星的在轨运行安全，迫切地需要对卫星，尤其是卫星太阳电池的激光防护加固措施展开深入研究。由于卫星太阳电池需要持续接收太阳光以产生电能，因此无法采用遮蔽的手段实现激光防护，比较有效的方式是在太阳电池用玻璃盖片的表面沉积功能性薄膜[3]，在确保太阳电池的在轨输出功率满足使用要求的同时，提高其对某波长激光的反射效果，从而实现太阳电池阵的激光防护。本文设计并制备了一种可提高太阳电池对1 064 nm 波长激光防护阈值的玻璃盖片(简称激光防护盖片)，研究了激光防护盖片对太阳电池效率的影响以及对1 064 nm 激光的防护效果。

1 激光防护盖片设计与制备

1.1 激光防护盖片设计

三结砷化镓太阳电池由顶结GaInP 子电池、中间结GaAs子电池及底结Ge 子电池串联而成，电池总光谱响应范围为300～1 800 nm。AM0 太阳光谱归一化曲线与典型三结太阳电池外量子效率(EQE)测试曲线如图1 所示。在AM0 光谱下，GaInP 子电池产生的光电流IGaInP和GaAs 子电池产生的光电流IGaAs比较接近，Ge 子电池光电流IGe相对较高[4]，各结子电池的光电流关系为IGaInP≈IGaAs≈0.7IGe。

图1 AM0太阳光谱归一化曲线与典型三结太阳电池EQE曲线

需要防护的激光波长为1 064 nm，在Ge 子电池的响应波长范围内，对1 064 nm 的光线进行适当反射，直至Ge 子电池光电流IGe’略高于其它两结，既不会对电池整体性能造成过大衰降，还可以提高太阳电池对1 064 nm 激光的防护阈值。在粘贴激光防护盖片后，太阳电池各结子电池的电流关系应满足式(1)，激光防护盖片反射率R(λ)应满足式(2)。

式 中：SR(λ)为太阳电池的响应度；P(λ)为AM0光谱强度；IGaInP、IGaAs、SR(λ)均是通过测量典型三结太阳电池EQE得到。

经过计算，当R(1 064 nm)=60%，反射峰半高宽约为250 nm 时，现有测试数据可满足式(1)～(2)的数值关系，而在其他波段内，尤其是在400～900 nm 的短波波段，表面反射损失应越低越好，这样可使IGaInP和IGaAs在贴片后不发生明显衰降。以此为目标进行激光防护盖片的光学膜层设计，根据菲涅尔公式[5]，玻璃盖片表面的激光防护膜应由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替沉积而成，其初始结构如式(3)所示。

式中：H代表四分之一波长厚度的高折射率材料；L代表四分之一波长厚度的低折射率薄膜材料，两种材料均为透明氧化物。

在Macleod 软件中对膜层结构进行优化计算，首先通过Needle synthesis 利用梯度信息进行膜层优化。待品质因数小于10 后，清除厚度小于10 nm 的膜层，锁定除最外2 层和最内2 层之外的其他膜层，使用Simplex 对最外2 层和最内2 层进行快速优化，最终得到非周期性的激光防护膜层设计，其透射率模拟曲线如图2 所示。

图2 激光防护盖片透射率模拟曲线

1.2 激光防护盖片制备

采用电子束热蒸发、离子源辅助的方式，在90 μm 厚度的抗辐照玻璃盖片表面沉积上述膜层。烘烤温度为150 ℃，沉积过程中通入氩气作为离子源的工作气体，通入氧气作为氧化物材料的反应气体。制备得到的激光防护盖片样品如图3所示，由于两种薄膜材料分别表现为压应力和张应力，因此二者应力相互抵消使得激光防护盖片未表现出明显翘曲，其翘曲度小于0.02 mm。

图3 激光防护盖片实物图

2 结果与讨论

2.1 光学特性

使用分光光度计，在积分球模式下分别测量激光防护盖片和MgF2盖片的透射率，同时与激光防护盖片的设计值进行对比，绘制曲线如图4 所示，对比数据如表1 所示。结果表明，激光防护盖片的实测值与设计值具有良好的符合度，在波长小于400 nm 的短波部分因多层薄膜的吸收作用导致透射率略有降低，但仍可满足使用要求。对比激光防护盖片和MgF2盖片，其透射率差异主要出现在波长大于900 nm 的中长波区域，对于三结砷化镓太阳电池，虽会导致Ge 子电池电流的部分衰降，但仍可大于前两个子电池的电流值，对电池电流的输出不会造成明显影响。由于选择的膜层在1 064 nm处的吸收较低可忽略不计，样品在1 064 nm 处的透射率小于40%，其在1 064 nm 处的反射率可达60%以上。

图4 激光防护盖片和MgF2盖片的透射率对比曲线

表1 激光防护盖片与MgF2 盖片的透射率 %

2.2 膜层牢固度与环境适应性

对激光防护盖片进行煮水摩擦试验，检查盖片表面膜层的牢固度。将样品置于沸腾的去离子水中煮沸15 min 后取出擦干，用橡皮摩擦带膜表面，膜层未出现脱落。样品煮水后进行透射率测试，膜层反射中心出现了细微的偏移，光学特性仍满足要求。

对激光防护盖片进行温度冲击试验，考查其环境适应性。样品在-180～100 ℃循环6 次，取出后膜层未出现脱落，样品无明显形变，光学特性无明显变化。

2.3 贴片后反射率

在三结砷化镓太阳电池表面分别粘贴激光防护盖片和MgF2盖片，组合成CIC 组件，测量组件整体的反射率，反射率曲线如图5 所示。MgF2盖片CIC 组件在1 064 nm 处反射率为14.99%，激光防护盖片CIC 组件在1 064 nm 处反射率为64.13%。CIC 组件对1 064 nm 激光的耐受阈值与其对此波长的激光的吸收率呈反比，因此在垂直入射条件下，理论上激光防护盖片CIC 组件的1 064 nm 激光耐受阈值是MgF2盖片CIC 组件的2.37 倍。

图5 激光防护盖片和MgF2盖片组件的反射率曲线

2.4 贴片后电性能

分别测量三结砷化镓太阳电池在粘贴激光防护盖片和MgF2盖片前后的电性能[AM0,(25±2) ℃,135.3 mW/cm2]，结果如表2 所示。虽然与MgF2盖片相比，贴激光防护盖片后效率衰降增加了1.71%，但此衰降值较小，仍可满足型号产品的使用要求。

表2 激光防护盖片与MgF2 盖片贴片前后电池性能

贴片后的两种组件的EQE曲线如图6 所示，测试得到的不同波段响应电流密度如表3 所示。虽然激光防护盖片对太阳电池的底结衰降比较明显，但底结子电池的响应电流密度仍比前两结子电池的响应电流密度高出约15%，这就尽可能地降低了激光防护盖片对太阳电池电流输出的影响。另一方面，因空间环境辐照所导致的电池性能衰降也不会因使用激光防护盖片而被进一步扩大。

表3 激光防护盖片组件与MgF2 盖片组件的响应电流密度 mA/cm2

图6 激光防护盖片和MgF2盖片组件的EQE对比曲线

2.5 吸收系数

根据反射率数值，计算激光防护盖片组件和MgF2盖片组件的吸收系数，分别为0.820 和0.883。激光防护盖片组件与MgF2盖片组件相比，吸收系数下降了0.063，预计可使其在轨温度降低约6.3 ℃，在轨输出效率提高1.6%。因此，激光防护盖片比MgF2盖片具有一定的在轨使用优势。

2.6 激光防护能力

为了研究激光防护盖片的激光防护能力，在真空环境下模拟空间应用环境进行激光照射试验。太阳电池组件使用硅胶粘贴在蜂窝铝基板上，1 064 nm 激光经机械快门、扩束镜、准直镜、方形光阑后照射到太阳电池组件表面。不同组件样品经激光照射试验后的外观状态及效率衰降如表4 所示。激光主要是通过其热效应对组件造成损坏，由于1 064 nm 波长属于太阳电池的底结吸收波段，底结吸收激光后发热导致外延结构破坏，甚至局部pn 结短路，释放的热量使电池表面的盖片胶也发生汽化。当样品表面的激光功率密度为3 W/cm2时，MgF2盖片组件内的盖片胶已发生汽化，底结外延层轻微受损；激光防护盖片组件无明显变化。当激光功率密度达到9 W/cm2时，MgF2盖片组件被完全破坏，顶、中、底外延结构全部受损；激光防护盖片组件转换效率衰降为4.2%，只是底结外延层轻微受损。虽然不同电池样品的外延结构耐热性会略有差别，但与MgF2盖片组件相比，激光防护盖片组件表现出了明显的激光防护能力，未来应用价值十分显著。

表4 不同组件样品激光照射试验后状态

3 结论

本文设计并制备了空间三结太阳电池用激光防护盖片，其表面的激光防护膜采用电子束热蒸发、离子源辅助沉积的方式进行制备，经煮水摩擦试验和温度冲击试验，膜层牢固度和环境适应性满足要求。贴片后，激光防护盖片组件对1 064 nm 光线的反射率大于60%，效率衰降为2.18%，相对于普通MgF2盖片组件，其效率衰降较小，而且吸收系数下降了0.063，可有效提高在轨输出功率。经激光照射试验，激光防护盖片可有效提高电池组件对1 064 nm 激光的防护能力。激光防护盖片有望成为一种新型的空间盖片产品，被广泛应用到具有激光防护需求的太阳电池阵中。