非金屬材料放氣對砷化鎵電池的影響分析

院小雪，于錢，臧衛國，楊東升，周晶晶，姜海富

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

太陽電池陣作為航天器電源系統的關鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統的工作狀態，從而影響整個航天器的工作狀態[1—3]。目前，航天器普遍采用三結砷化鎵太陽電池。太陽電池在軌運行期間，會受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環境及誘導環境的影響[4]。

太空中，對砷化鎵電池產生污染的污染源主要有：航天器用非金屬材料放氣[5—6]；姿控發動機的噴射[7]；空間環境的影響[8—10]。其中，非金屬材料放氣是污染源的重要組成部分。航天器真空熱試驗中污染監測試驗的結果表明，非金屬材料放氣釋放的有機分子主要為鄰苯二甲酸酯類和硅氧烷類[11—13]。

文中以非金屬材料灰皮電纜放氣產物鄰苯二甲酸酯類為例，分析其對砷化鎵電池的性能影響，從而為太陽電池的污染防護提供依據和支持。

1 試驗

非金屬材料放氣對砷化鎵電池性能影響試驗包括兩部分：砷化鎵電池性能與透過率關系試驗和污染物沉積量與透過率關系試驗。通過這兩組試驗，得到污染物沉積量與太陽電池功率損失之間的關系。

1.1 材料及設備

試驗用品包括砷化鎵電池、石英光學試片和非金屬材料等。砷化鎵電池尺寸為3 cm×4 cm，短路電流為210 mA，石英光學試片尺寸為80 mm×80 mm×1 mm。非金屬材料為航天器常用灰皮電纜，其放氣產物為鄰苯二甲酸酯類，無色透明液體。

砷化鎵電池的性能測試采用太陽模擬器和數字萬用表，測試其短路電流，測量電路如圖1所示。

圖1 太陽電池短路電流測試電路Fig.1 The sketch map of the electrocircuit test for short circuit of solar cell

用U-3900H紫外可見分光光度計測試石英光學試片的光學透過率，其波長范圍為190～900 nm，光譜帶寬為0.2～4.0 nm。采用石英晶體微量天平測量非金屬材料的放氣沉積量[14]，其諧振頻率為20 MHz，污染量測試精度為1.1×10-9g/cm2，污染量測試范圍為0～1.1×10-5g/cm2。

1.2 試驗方案

1）砷化鎵電池性能與透過率關系試驗。試驗如圖2所示，分別將1，2，5塊光學試片放置在太陽電池片上，進行模擬光照下的短路電流測試，從而得到砷化鎵電池功率損失與透過率影響之間的關系。測試過程中，將太陽電池片正對太陽模擬器光源，使光線垂直入射，按照砷化鎵電池短路電流測試電路示意圖進行測試。

圖2 透過率影響試驗Fig.2 The sketch map of transmittance effect test

2）污染物沉積量與透過率關系試驗。試驗設備如圖3所示，在樣品室中放置灰皮電纜，將材料加熱到125℃進行烘烤，樣品室開口朝向石英光學試片。分別進行不同時間的材料真空放氣試驗，在光學試片上形成10-6，10-5，10-4g/cm2量級的污染沉積量，從而得到污染物沉積量與透過率損失之間的關系。

圖3 材料放氣試驗Fig.3 The sketch map of material outgassing test

2 結果和討論

2.1 砷化鎵電池功率損失與透過率影響試驗

放置1，2，5塊光學試片后的透過率分別為91.90%，85.00%，58.01%。光學透過率損失結果與太陽電池短路電流變化的關系曲線如圖4所示。

圖4 光學透過率損失與太陽電池短路電流變化的關系曲線Fig.4 The relationship between the transmittance loss and the short circuit of solar cell

2.2 污染物沉積量與透過率損失影響試驗

真空放氣沉積后的樣品顯微圖像如圖5所示，在光學試片表面形成顆粒狀薄膜。針對不同量級的污染量，分別測試了在300～700 nm的透過率損失情況。測試結果見表1。

圖5 真空放氣沉積樣品顯微圖像Fig.5 The micrograph of the sample with depositing contaminants in vacuum environment

表1 光學試片透過率損失測試結果Table 1 The test result of transmittance of optic glasses

光學透過率損失結果與污染沉積量關系曲線如圖6所示。

圖6 光學透過率損失與污染量關系Fig.6 The relationship between the transmittance loss and the mass of the contaminants

通過上述試驗，得到非金屬材料放氣造成污染沉積量與砷化鎵電池輸出短路電流的關系，如圖7所示。

圖7 污染沉積量與短路電流變化曲線Fig.7 The relationship between the mass of the contaminants and the short circuit of solar cell

3 結論

通過對試驗結果進行分析，可以得到如下結論。

1）隨著非金屬材料放氣沉積量的增多，砷化鎵電池的短路電流不斷減小。

2）當污染沉積量達到4×10-5g/cm2時，砷化鎵電池的短路電流變化量為23 mA，變化率為10.9%；同時曲線的斜率減小，砷化鎵電池的短路電流變化率減小。

3）當污染沉積量達到1.26×10-4g/cm2時，砷化鎵電池的短路電流變化量為42 mA，變化率為20.0%；同時曲線平緩，砷化鎵電池的電流值基本趨于平穩。

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