石墨烯膜实现超高压太阳电池阵的静电防护

张 琦，兰志成，崔新宇，张 伟

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

0 引言

在宇宙空间建立太阳能电站是航天工程的一个重大目标，是解决空间能源问题的重要手段。太阳能电站拟设置在地球同步轨道上，通过大面积的太阳电池阵，将大量太阳能转化为可利用的电能。空间电站太阳电池阵主要发展趋势是实现轻量化、高效率和超高电压，以满足节约发射成本、减少电力传输距离、降低损耗的需求。因此，超高压大功率的全柔性太阳电池阵（由高效薄膜电池与柔性基板组成）将是空间电站太阳电池阵的最佳选择[1-2]。其中，超高电压的好处是可以降低电流，从而减少传输损耗。而空间等离子体环境会使太阳电池阵串间发生静电放电致使太阳阵电路损伤甚至失效[3-7]。超高压的太阳电池阵更易诱发静电放电，现有的防静电方法也无法有效地解决超高压太阳电池阵防护问题。虽然不同于传统刚性太阳电池阵，全柔性太阳阵一般采用整体封装的方式，相比之下表面电势差小，但在高压条件下，这些非导电材料上堆积的电荷穿透表面材料到达柔性阵内部，仍有诱发放电的可能性。

在超高压条件下，如果能将太阳电池阵表面用同一种材料完全覆盖，并且覆盖材料外表面具有一定的导电性能够使表面电荷迅速导走，形成电荷泄放通道，实现表面近零电位，就能从根本上解决静电放电问题[8]。同时还要考虑覆盖材料的透过率，以保证太阳电池阵对太阳光的吸收不受影响。因此表面覆盖材料需要具有导电性好、透过率高的特点。并且对于全柔性太阳电池阵，柔韧度也是需要考虑的一个指标。

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是最薄的二维材料，具有超薄、超柔、高比表面积等特性[9-11]。用单层石墨烯制成的膜系，在导电性、透过率均有优势[12-14]。从其特点上看，石墨烯透明导电膜适用于超高压全柔性太阳电池阵的静电防护。基于化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)的方法，制备了单层石墨烯薄膜，并运用于全柔性太阳电池组件的表面封装。在750 V 超高串间电压的条件下，该太阳电池组件在地面充放电试验中未发生放电现象，组件性能未发生衰降。该结果验证了石墨烯膜静电防护能力，对于超高压太阳电池阵的研制与应用起到了推进作用。

1 太阳电池阵静电放电危害

1.1 空间等离子体环境

根据探测卫星数据表明，太阳风与地球磁场相互作用，使得地球磁场及其俘获的带电离子带发生畸变。在地球同步轨道，受地磁亚暴环境的影响，卫星处于高能、低密度等离子体环境中，容易发生不等量充电并诱发静电放电事件。

当等离子体与航天器相互作用时，主要是电子对航天器表面充电。表面充电的电子能量范围通常是0 keV～50 keV。在电站位于的地球同步轨道，航天器进入到地磁亚暴引起的增强等离子体环境时，将发生明显的充电现象，充电电位高达负数千伏，并造成局部电势差异。在轨飞行期间太阳电池阵完全暴露在空间环境中，由于不等量电荷的积累和二次电子发射的影响，在太阳电池阵表面很容易诱发空间静电放电（一次放电）。

1.2 太阳电池阵的充放电

传统刚性太阳电池阵，表面包括玻璃盖片、金属互连片以及基底等介电常数和二次电子发射系数不同的材料，在空间等离子体环境中，这些材料会产生不等量电荷积累，出现电势差从而导致静电放电。电池串相邻太阳电池之间存在很高的压差的情况下，在静电放电环境中更容易形成高浓度电荷通路，即二次放电现象。二次放电对太阳电池阵有巨大危害，其产生的热量使得太阳电池之间或太阳电池与太阳电池阵基板之间的材料发生热解，聚酰亚胺膜热解炭化后留下一低电阻通路。之后太阳电池串电流将从此低阻通路流过，闭环回路形成，导致太阳电池阵永久性短路，系统功率大幅下降。对于全柔性太阳电池阵，表面采用薄膜或者玻璃整体封装，不会产生玻璃盖片与金属互连片之间的电荷不均匀区域，一定程度上可以减少静电放电现象。但在高压条件下，绝缘材料表面材料积累的电荷仍旧是巨大隐患。为了探讨全柔性太阳电池阵的充放电事件，制作了一组全柔性太阳电池组件，如图1 所示，该组件由透明薄膜、薄膜三结砷化镓电池和聚酰亚胺薄型基板组成。在串3和串4 之间施加串间电压，进行地面充放电模拟试验，试验条件为电子能量：14.0 keV、电子电流密度1 nA/cm2、太阳电池串间供电电压为200 V 高压。结果在实验中全柔性太阳电池阵出现了静电放电现象，虽无明显的二次放电，但全柔性阵的封装材料或者基底材料的耐热性更差，静电产生的电火花使材料变形甚至烧熔，对电池电路产生应力作用，增加了发生电路异常的可能。

图1 静电放电后太阳电池组件及静电放电位置局部放大图

在表1 中，给出了试验前后4 个电池串电性能的对比（AM0，25 ℃），可以看出串3 和串4 分别因静电放电而出现了开路和短路现象。该试验说明了，虽然整体封装实现了表面的近等电位，在高压条件下，全柔性太阳电池阵仍会出现静电放电，对太阳电池阵造成严重损害。

表1 静电放电前后全柔性太阳电池组件性能对比

2 石墨烯膜封装全柔性太阳电池组件的研制

2.1 石墨烯透明导电膜研制

CVD 是目前最常用的一种石墨烯生长方法[15]，用CH4或其他含碳化合物作为碳源，碳原子在高温退火的过程中沉积在基底表面，然后生长得到石墨烯。为了制备石墨烯透明导电薄膜，在金属基底上生长的石墨烯还需要转移至其他非导电基底上，选择乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE），因为ETFE 膜透过率、机械强度、绝缘强度均有优势，还具备空间飞行经验。图2 所示为ETFE 基底上的石墨烯透明导电膜，其透过率和导电性可以达到94%和250Ω/□。

图2 CVD 法制备的石墨烯薄膜

2.2 石墨烯透明导电膜的一体化封装

太阳电池阵的发电单元采用反向生长的薄膜三结砷化镓薄膜太阳电池，规格为20 mm×40 mm，单片电池面积8 cm2。其制备方法是，利用低压MOCVD 设备，在衬底之上，先生长与衬底晶格匹配的GaInP 顶电池和Ga(In)As 中间电池；接着是渐变缓冲层，从衬底的晶格逐步过渡到生长底电池所需要的晶格；最后是带隙约为1 eV 的、与衬底晶格失配的GaInAs 底电池的生长。在此之上，是为制作电极而生长的Cap 层。反向生长晶格失配三结太阳电池外延结构如图3 所示。

图3 反向生长晶格失配三结太阳电池外延结构

太阳电池单体之间采用互连片连接形成电池电路，采用纯银互连片，同时，互连片设计有减应力环，以减少由于热应力造成的互连片损伤。太阳电池组件采用串联片数为5 片，共2 串，共计使用10 片电池，组件内太阳电池内联组件面积为80 cm2。

基板选用聚酰亚胺复合材料基板，其特点为重量轻、厚度薄，具有一定机械强度。将石墨烯透过导电膜、薄膜电池电路、柔性基板用层压的方式做成组件，制得试验样品如图4 所示。

图4 石墨烯膜封装的全柔性太阳电池组件

3 石墨烯透明导电膜静电防护能力验证

为了验证石墨烯透明导电膜封装的全柔性太阳电池组件的防静电能力，利用空间等离子体带电效应模拟试验装置进行了地面模拟太阳电池阵充放电试验，根据先前研究效果[3]模拟源参数设定为电子能量14.0 keV、电子电流密度2 nA/cm2。通过在图4 样品的两串之间加一个可变电阻，再给施加横电流的方法，控制串间电压和串间电流。在试验中，电流设定为4 A，通过增大可变电阻的阻值，在两串之间产生不同的压差。

试验中压差调节从200 V 高压开始，以50 V 为单位，最高升至750 V 的超高压。在样件前方设置电位计，用于测量试验过程中石墨烯透明导电膜的表面电位。整个装置处于真空环境中，真空度不大于8×10-4Pa。试验过程由VCR 相机记录，用于捕捉可能出现的放电现象。

对于石墨烯透明导线薄膜封装的全柔性太阳电池阵，由于试验过程中表面接地，在不断增大串间电压的过程中，表面良好的导电性，保证了表面电荷快速泄放，因此在试验中未观察到放电现象。通过电位计测量的表面电位均小于-10 V。试验后，将样件取出观察外观并测量其绝缘性，结果未发生明显变化。在表2 中给出了两串电池在试验前后的电性能测试结果（AM0，25 ℃），可以看出电池串的性能基本无变化，超高压条件下的充放电模拟试验没有对全柔性太阳电池组件造成损伤。

表2 静电放电前后石墨烯导电膜组件电性能对比

石墨烯优秀的导电性使电荷迅速泄放，保持了柔性太阳电池组件表面近零电位的状态，将一次放电的概率为零，太阳电池阵静电损伤失去了先决条件，理论上串间电压再增加也不会导致静电放电现象。因此超高电压全柔性太阳电池阵使用石墨烯透明导电膜实现静电防护是可行性，且相对于其他透明导电膜，石墨烯材料在导电性、透过率、柔性上都有优势。固化制备工艺，针对性解决环境适应性问题，石墨烯将在空间应用中发挥更大的作用。

4 结论

空间电站对超高压全柔性太阳电池阵提出了应用需求，超高压条件下的太阳电池阵静电放电损伤的问题亟待解决。试验证明全柔性太阳电池整体绝缘封装在高压条件下会导致严重的静电损伤，电池串性能大幅下降。利用表面导电膜，实现电荷快速泄放，从根本上解决静电放电问题，是解决该问题的最佳方法。石墨烯具备优异的导电性和透过率，通过化学气相沉积的方法，制备出石墨烯透明导电膜的透过率94%，方块电阻250 Ω/□。利用一体化封装技术将石墨烯透明导电膜、薄膜电池组件和柔性基板制成全柔性太阳电池组件，在750 V 的超高串间压差下进行充放电试验，结果表明石墨烯膜阻止了静电放电现象的发生，试验前后电池性能无变化。石墨烯透明导电膜在超高压条件下太阳电池阵静电防护的优异表现，为超高压全柔性太阳电池阵的发展和应用提供了积极影响。