太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)方法研究

龐壽成，院小雪，臧衛(wèi)國(guó)，于 錢(qián)，楊東升

（1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

引言

太陽(yáng)電池陣作為航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而影響整個(gè)航天器的工作狀態(tài)[1-3]。太陽(yáng)電池（三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池和鎵銦磷頂太陽(yáng)電池）在軌運(yùn)行期間，會(huì)受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環(huán)境及誘導(dǎo)環(huán)境的影響[4-5]，其中污染與紫外協(xié)合對(duì)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流產(chǎn)生影響，從而造成性能下降。

污染物對(duì)太陽(yáng)電池輸出功率的影響因素是蓋片上沉積的污染膜的吸附和反射造成的光遮蔽效應(yīng)，減少了到達(dá)太陽(yáng)電池上的光照，使得輸出功率下降。紫外輻照對(duì)航天器污染效應(yīng)的影響的主要體現(xiàn)在導(dǎo)致污染分子撞擊到被污染表面時(shí)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，影響污染分子在被污染表面的凝結(jié)效率，已沉積在被污染表面上的污染膜在紫外輻射下還會(huì)發(fā)生定影、發(fā)黑現(xiàn)象，改變污染膜的光學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致污染膜對(duì)被污染表面效應(yīng)的增強(qiáng)。

1 試驗(yàn)及測(cè)試設(shè)備

太陽(yáng)電池污染效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、材料放氣控制系統(tǒng)、污染量測(cè)試系統(tǒng)、太陽(yáng)電池污染沉積控制系統(tǒng)組成。材料放氣控制系統(tǒng)包括放氣室、材料溫度控制系統(tǒng)；污染量測(cè)試系統(tǒng)由石英晶體微量天平及其測(cè)控系統(tǒng)組成，太陽(yáng)電池污染沉積控制系統(tǒng)包括沉積平臺(tái)和太陽(yáng)電池片安裝機(jī)構(gòu)。放氣材料選用星用非金屬材料，置于放氣室內(nèi)，加熱放氣可凝揮發(fā)物沉積在太陽(yáng)電池片和石英晶體微量天平，其中太陽(yáng)電池片和石英晶體微量天平放置在同一水平面上，石英晶體微量天平用來(lái)測(cè)量污染物沉積量。

太陽(yáng)電池污染與紫外效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備在真空、溫度試驗(yàn)設(shè)備上增加一套紫外輻照系統(tǒng)。紫外輻照系統(tǒng)采用氘燈作為光源，其波段為115～200 nm。

試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1所示。在太陽(yáng)電池污染效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，切斷氘燈電源，使其處于不工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下：

1）真空容器真空度：優(yōu)于7.0×10-3Pa；

2）材料放氣控制系統(tǒng)溫度控制精度：優(yōu)于0.5 K；

3）污染量靈敏度：優(yōu)于2×10-9g/（cm2·Hz）。

太陽(yáng)電池性能測(cè)試系統(tǒng)采用太陽(yáng)模擬器和數(shù)字表。通過(guò)太陽(yáng)電池性能測(cè)試裝置（見(jiàn)圖2）測(cè)量太陽(yáng)電池取樣電阻電壓在實(shí)驗(yàn)前后的變化。太陽(yáng)模擬器的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)如下：

1）輻照度：1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)；

2）光斑均勻區(qū)范圍：不小于樣品尺寸。

2 試驗(yàn)程序

圖1 溫度、真空與紫外輻照試驗(yàn)設(shè)備示意圖

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作內(nèi)容如下：

1）對(duì)真空容器內(nèi)部及外部進(jìn)行清潔；

2）試驗(yàn)前檢查，調(diào)試各臺(tái)儀器設(shè)備，保證其能正常工作；

3）進(jìn)行空載試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)確認(rèn)；

4）測(cè)量并記錄試驗(yàn)前太陽(yáng)電池片的取樣電阻電壓；

5）根據(jù)任務(wù)書(shū)確定試驗(yàn)時(shí)間、材料加熱溫度、沉積板溫度、沉積量限定值。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 太陽(yáng)電池污染效應(yīng)試驗(yàn)

太陽(yáng)電池污染效應(yīng)試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無(wú)蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)。

2）將石英晶體微量天平與太陽(yáng)電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽(yáng)電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽(yáng)電池在平面中心附近對(duì)稱放置。

圖2 太陽(yáng)電池性能測(cè)試裝置示意圖

3）通電，啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)，開(kāi)啟熱偶計(jì)，啟動(dòng)機(jī)械泵，打開(kāi)粗抽閥，抽真空室。

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開(kāi)電磁閥抽分子泵；分子泵前級(jí)抽到5 Pa后，打開(kāi)閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動(dòng)分子泵。

5）分子泵正常后，且熱偶計(jì)到0.1 P后，開(kāi)啟電離計(jì)。真空度達(dá)到試驗(yàn)要求后，進(jìn)入試驗(yàn)工況程序。

6）試驗(yàn)開(kāi)始后，用加熱片對(duì)樣品室進(jìn)行加熱到125℃，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達(dá)某一量級(jí)時(shí)，進(jìn)入設(shè)備關(guān)機(jī)工況。

7）設(shè)備關(guān)機(jī)：關(guān)閉電離計(jì)和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機(jī)械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計(jì)、斷電。

8）取出太陽(yáng)電池片，太陽(yáng)電池污染效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)束。

2.2.2 太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)

太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無(wú)蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)；

2）將石英晶體微量天平與太陽(yáng)電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽(yáng)電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽(yáng)電池在平面中心附近對(duì)稱放置；

3）通電，啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)，開(kāi)啟熱偶計(jì)；啟動(dòng)機(jī)械泵；打開(kāi)粗抽閥，抽真空室；

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開(kāi)電磁閥抽分子泵；分子泵前級(jí)抽到5 Pa后，打開(kāi)閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動(dòng)分子泵；

5）分子泵正常后，且熱偶計(jì)到0.1 P后，開(kāi)啟電離計(jì)。真空度達(dá)到試驗(yàn)要求后（根據(jù)要求，可啟動(dòng)液氮系統(tǒng)），進(jìn)入試驗(yàn)工況程序（注意檢查循環(huán)水系統(tǒng)）；

6）試驗(yàn)開(kāi)始后，用加熱片對(duì)樣品室進(jìn)行加熱到125℃，打開(kāi)紫外輻照系統(tǒng)電源，對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行輻照。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達(dá)某一量級(jí)時(shí)（根據(jù)任務(wù)書(shū)要求設(shè)置三組不同的污染量），進(jìn)入設(shè)備關(guān)機(jī)工況。

7）設(shè)備關(guān)機(jī)：關(guān)閉電離計(jì)和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機(jī)械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計(jì)、斷電。

8）取出太陽(yáng)電池片，太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)束。

2.3 試驗(yàn)后測(cè)試

試驗(yàn)后測(cè)試過(guò)程如下：

1）打開(kāi)太陽(yáng)模擬器電源，預(yù)熱10 min；

2）將試驗(yàn)后的太陽(yáng)電池片放置在太陽(yáng)電池性能測(cè)試平臺(tái)上；

3）用數(shù)字表測(cè)量太陽(yáng)電池取樣電阻兩端的取樣電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 概述

太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理是為了得到污染沉積量/紫外輻照和太陽(yáng)電池性能變化之間的關(guān)系。因此數(shù)據(jù)處理包括兩部分內(nèi)容：污染沉積量的數(shù)據(jù)處理和太陽(yáng)電池取樣電阻電壓變化率的數(shù)據(jù)處理。

3.2 沉積污染量計(jì)算

污染沉積量計(jì)算公式為：

式中，m—太陽(yáng)電池片上的污染沉積量，g/cm2；

δ—石英晶體傳感因子，對(duì)20 MHz石英晶片δ值為1.1×10-9g/（cm2.Hz）；

ff—石英晶體微量天平最終頻率，Hz；

fi—石英晶體微量天平初始頻率，Hz。

3.3 取樣電阻電壓變化率計(jì)算

太陽(yáng)電池取樣電阻電壓變化率計(jì)算公式為：

式中，ΔVR—取樣電阻電壓變化率，%；

VR0—試驗(yàn)前太陽(yáng)電池片取樣電阻電壓值，V；

VR1——試驗(yàn)后太陽(yáng)電池片取樣電阻電壓值，V。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著長(zhǎng)壽命高可靠航天器的發(fā)展，對(duì)航天器設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。本文提出的太陽(yáng)電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)方法可以為航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，減少設(shè)計(jì)余量，降低設(shè)計(jì)成本。

[1]B.E. Wood, B.D. Green. Materials Outgassing Effects and Satellite Contamination Database [C]. 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 10-13 January 2000,AIAA 2000-0241.

[2]院小雪，周傳良，楊東升.航天光學(xué)系統(tǒng)的污染控制技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程，2012.29(2):168-172.

[3]院小雪, 龐賀偉, 周傳良. 分子污染對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)電池翼輸出功率的衰減研究[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2007, 28(1): 118-123.

[4]院小雪，易忠，楊東升，等. 新型空間環(huán)境效應(yīng)探測(cè)器技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].空間電子技術(shù)，2013.10(1):30-32.

[5]高欣，楊生勝，王云飛，等. MEO 軌道輻射環(huán)境對(duì)Si 太陽(yáng)電池影響研究[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2010, 31(3): 931-935.