空间三结砷化镓太阳电池的激光防护研究

苏 彬，张 琦，张 伟，寻 薇

(1.中国电子科技集团有限公司第十八研究所，天津 300384；2.中国空间技术研究通信与导航卫星总体部，北京 100094)

太阳电池阵能够将太阳光能转化为可利用的电能，是绝大部分航天器的唯一能量来源，对航天器的寿命有决定性作用。目前空间中太阳电池阵上使用的太阳电池主要是三结砷化镓电池，从表面到基板分别是GaInP2/GaAs/Ge 结构。三结砷化镓太阳电池具有转化效率高、耐高温、抗辐照能力强等优点，一般来说，为了进一步提高太阳电池的抗辐照能力，需在太阳电池表面加固抗辐照玻璃盖片[1]。激光是人类的重大发明，具备高亮度、高单色性、高方向性和高相干性的特点。随着激光技术的发展，激光在空间中的应用变得广泛。激光在带来便利的同时也带来了一些隐患，比如高能激光会烧蚀材料，不恰当使用或者意外情况下激光可能会对传播路径上的物体造成损伤[2]。太阳电池阵面积大且暴露在空间中，因此有被空间激光辐照的可能性，一旦太阳电池阵遭受激光不可恢复的损伤，航天器便失去了能量来源，无法继续发挥作用。因此，面对空间激光环境，应对航天器进行激光防护，重点是太阳电池阵的激光防护。

本文简述了太阳电池激光辐照效应的研究进展，通过实验探讨了1 064 nm 激光对空间三结砷化镓太阳电池的辐照损伤情况；对抗辐照玻璃盖片的减反射膜结构进行了改善，使其具备对1 064 nm 光的高反射能力，从而实现对1 064 nm激光的防护；最后通过激光辐照实验验证了改善后的玻璃盖片的抗激光效果。

1 空间激光与太阳电池

1.1 空间激光的应用

自20 世纪60 年代问世以来，激光技术得到了迅速发展，在科研、工业、医疗、通讯、军事等众多与人类生活和发展密切相关的领域中，都发挥着极其重要的作用。激光的应用已经不局限于地面，例如具备探测和通信能力的机载激光系统已经取得了重大研究成果，并且开始将成果推向至空间，也就是星载激光系统。与机载激光相比，星载激光最大的特点是无大气和气候干扰，传播损耗小，因此在空间中可以充分发挥激光的优势。首先是在探测方面，据美国宇航局(NASA)相关报道，无论是简单的激光高度计还是复杂的激光雷达三维成像系统，依靠激光的高分辨度，科研工作者们完成了大量天体地形探测、星球环境监控的工作[3]。其次，激光是无线传能的良好工具。人们曾经提出空间太阳能电站的概念，采集地球静止轨道(GEO)上的太阳能，并将这些能量通过无线传能的方式传输到航天器或地面，达到高效利用太阳能的目的[4]。激光具有很好的单向性，非常适合空间中的无线能量传输。另外，由于激光具有能量高的特点，一些发达国家准备利用高能星载激光清除空间碎片[5]，减轻地球轨道上的太空垃圾污染。除此之外，空间激光还可以用于无线通讯，以及空域作战[6]等。可以说，空间激光的应用潜力和前景是巨大的。

1.2 空间激光对太阳电池的威胁

空间激光为科研和航天工程带来便利的同时，也带来了一些隐患。如果激光的瞄准出现偏差，或者载体航天器出现故障，又或者一些激光路径上的太空碎片对激光有较强的反射或散射，会使激光能量泄漏到空间中。这些情况下，航天器有暴露在激光辐照，甚至是高能激光辐照的环境中的风险。航天器主要依靠太阳电池阵从太阳获取能量，以完成航天任务。在缺乏有效防护手段的前提下，一旦太阳电池阵因激光辐照而产生损伤，很可能使航天器的寿命大大缩短，甚至在短时间内失效。

针对以上情况，为了明确激光对太阳电池的作用机理和损伤阈值，探索合适的防护手段，国内外已经开展了关于激光损伤太阳电池的实验研究[7-8]。中国电科十八所也进行了相关工作，主要是硅和砷化镓电池的激光辐照实验，以获得太阳电池的激光损伤功率密度阈值。图1 展示了十八所进行的砷化镓电池的辐照实验结果，该电池在10 W 激光8 s 辐照下受到了损伤，出现穿孔，从局部图中看出电池因烧熔而产生了鼓包式的变形。该结果说明激光对太阳电池存在较大威胁，对太阳电池进行激光防护是非常必要的。

图1 激光辐照后被击穿的砷化镓电池整体图(左)及局部图(右)

基于先前的研究经验，本文进行了空间三结砷化镓太阳电池的激光辐照实验，研究了激光对太阳电池的辐照特点，提出了一种太阳电池抗辐照玻璃盖片的改善方案，实验证明盖片经改善后，能够有效地衰减激光能量，保护太阳电池不受激光损伤。

2 空间三结砷化镓太阳电池的激光辐照效应研究

2.1 实验参数和光路系统

通过激光辐照实验，分析空间三结砷化镓太阳电池的激光辐照效应。样品为空间三结砷化镓太阳电池，从上至下依次为抗辐照玻璃盖片、盖片胶、金属栅线、GaInP2顶电池、GaAs 中电池、Ge 底电池、背电极。为了良好地固定，将电池背电极用底片胶粘在基板上。

本文采用1 064 nm 激光进行实验，它是空间激光常用的掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)激光的主要波段之一，在空间已有应用。具体的实验光路如图2 所示，激光从激光器出射，经过一个可以精准控制时间的快门和一个扩束系统，将激光光斑放大至略大于太阳电池尺寸的面积，再经过一个可调光阑，使辐照面积与电池大小相同。利用红外测温仪和热电偶记录电池前后表面的温度，电池电性能的变化由示波器给出。实验采用固定辐照时间(20 s)改变辐照功率的方式，以找到不同功率密度的激光对空间三结砷化镓太阳电池的不同损伤特征。该光路系统具有功率、辐照面积、辐照时间精确可调，温度和电性能可以实时测量，数据记录方式丰富等优势，可满足各类太阳电池的激光损伤实验和激光防护性能测试的需求。

图2 激光辐照实验光路示意图

2.2 实验结果和分析

通过改变激光器输出功率，进行了1～7 W/cm2功率密度的激光辐照实验。图3 所示为激光功率密度为6 W/cm2时记录的太阳电池负载电压和背电极温度的实时变化，在记录时间为20 s 时打开快门，激光辐照电池使电池迅速升温，与此同时电池的负载电压由于温度的升高而下降，经过20 s 的辐照时间后，快门关闭，激光停止辐照电池，此时电池的温度开始下降，负载电压也逐渐恢复。从图3 可以看出，在6 W/cm2的激光辐照下，太阳电池在温度恢复至初始状态时，负载电压未完全恢复，说明激光对太阳电池造成了永久性的损伤。

图3 负载电压和背电极温度随时间的变化

图4 为激光功率密度为2、4、6 W/cm2时辐照实验后太阳电池的实物图。从图4 可以得知，激光功率为2 W/cm2时，辐照后的电池形貌无变化；激光功率为4 W/cm2时，盖片胶中出现了一个气泡，它是由于盖片胶升温汽化导致的；而激光功率为6 W/cm2时，一部分盖片损坏，因为盖片胶进一步汽化后使盖片炸裂。图5 绘制了这三个实验后电池的I-V 特性曲线，激光功率为2 W/cm2时，与实验前数据相比，电池的电性能没有下降，说明20 s 时间内该功率密度不能对太阳电池造成损伤，只是在辐照时因为温升使太阳电池的输出电压短暂下降；激光功率为4 W/cm2时，盖片胶出现了汽化，但太阳电池的效率没有明显下降，说明电池的结构没有受到损伤，不过盖片胶的损伤可能会影响太阳电池抗粒子辐照的能力；激光功率为6 W/cm2时，图3 的结果已显示出电池电性能的改变，I-V 曲线也验证了这一点，太阳电池的填充因子和开路电压有了明显下降。综上，可以认为当激光的功率密度达到6 W/cm2时，辐照时间持续20 s，就能够永久性地对太阳电池造成损伤。所以进行空间激光防护研究时，要尽可能控制辐照到太阳电池上的激光参数低于这组数值。

图4 辐照实验后的太阳电池

图5 实验后太阳电池的I-V曲线

3 太阳电池激光防护盖片的研制

为了应对空间激光对航天器太阳电池阵的威胁，多种激光防护方法被提出，大致可以分为两类，即主动防护和被动防护。主动防护是指航天器具备激光预警功能，当激光到达预警范围内，航天器可以通过快速变轨等方式进行应对。被动防御则是激光辐照到太阳电池阵后，通过一些防护措施降低激光对电池阵的影响，具体方法包括高反射型激光防护膜、故障区快速隔离等。在太阳电池上加固高反射型激光防护膜，是太阳电池应对激光辐照的一种重要防护方法，防护膜将绝大部分激光以反射的形式耗散出去，使太阳电池只受到剩余少部分激光的辐照，间接提高了激光的损伤阈值。激光防护膜可以大致分为有色玻璃、介质膜滤光片和相变膜滤光片[9]等，考虑到防护膜不能对太阳电池的发电效率造成过大的影响，有色玻璃和相变膜现阶段并不适用，因此本文的工作根据介质膜滤光片的原理，对目前使用的抗辐照玻璃盖片上的减反射膜系结构进行改善，使其对1 064 nm 的光具备高反射能力，而在其他的太阳光吸收波段仍起到减反的作用。

通过Macleod 软件设计叠层结构，以玻璃为基底，根据传统几何光学的原理，采用厚度为四分之一波长的层结构，将不同折射率的介质堆叠，这样制备的盖片具有带阻滤光的特性，能够使防护波段的透射降低，其他频段透射基本保持不变。考虑到对太阳电池光电转化效率的需求，在设计时要求膜系对400～950 nm 光的透射率达到95%以上，尽可能减少滤光片对空间三结砷化镓太阳电池顶电结和中间结光吸收的影响。其次，为了起到激光防护的目的，要求结构对1 064 nm光的透射率小于10%，即90%以上的光被结构反射。设计完毕后，依照设计方案在抗辐射玻璃盖片上蒸镀介质膜叠层，制得激光防护盖片样品。利用分光光路计，对研制的盖片的透射率进行测量，曲线如图6 所示。由图6 得知，在1 064 nm附近透射率曲线有一个明显的透射率，最小透射率仅有5.9%，对应的反射率超过94%。而400～950 nm 的平均透射率高达95.7%，高于传统的氟化镁盖片，满足设计要求。将此盖片粘贴到三结砷化镓太阳电池上，对比前后的电池效率，与氟化镁盖片相比，激光防护盖片造成的电池效率的相对衰降在5.5%左右。所以在尽可能降低电池效率衰降的同时，该滤波片能够起到有效防护1 064 nm 激光的作用，可应用于现阶段空间三结砷化镓太阳电池的激光防护。

图6 激光防护盖片的透射率曲线

4 太阳电池激光防护盖片的抗激光能力验证

为了证明加固激光防护盖片的太阳电池的抗激光能力，在图2 的实验平台上，进行了加固电池的激光实验。选择9 W/cm2的1 064 nm 激光，对太阳电池进行20 s 的连续辐照。图7 给出了玻璃盖片封装带互连片的电池(CIC 电池)和加固激光防护盖片的电池在激光辐照下的表现，普通CIC 电池不能承受高能激光产生的热量，盖片和电池均损坏，因烧蚀产生大量烟尘；而激光防护后的太阳电池在整个激光辐照过程中未出现任何明显变化。实验后对电池的电性能进行测试，结果如图8 所示。未加固电池的电性能几乎完全丧失，I-V 曲线呈直线状，而加固电池与实验前数据相比，没有出现衰降。该结果充分说明了激光防护盖片能实现高能激光防护，大幅提高激光损伤太阳电池的功率密度阈值，具备空间太阳电池激光防护的应用潜力。

图7 普通CIC 电池(左)和加固激光防护盖片的电池(右)的激光损伤实验

图8 实验后普通CIC 电池和加固激光防护盖片电池的I-V 曲线

5 结论

通过半个多世纪的研究，激光技术取得了长足的发展，其应用已经扩展到了空间领域。空间激光的应用给航天器的安全带来了威胁，尤其是太阳电池阵，受到激光辐照后会出现温度升高、电能输出能力下降，甚至是不可恢复的永久性损伤。本文通过搭建激光辐照实验平台，得到了空间三结砷化镓太阳电池在功率密度为6 W/cm2的1 064 nm 激光20 s时长的辐照下，电池盖片炸裂、效率下降的结果，该结果说明了进行太阳电池激光防护的必要性。对抗辐照玻璃盖片上的膜系结构进行改进，研制出一种针对1 064 nm 光的高反射盖片，可以将激光能量衰减94%以上，同时造成的电池效率衰减在5.5%左右。最后在激光辐照实验平台上对加固激光防护盖片的太阳电池进行抗激光能力验证实验，结果显示研制的盖片能够提高激光的损伤阈值，起到激光防护的作用。