國外空間多結太陽電池技術進展

郁濟敏， 趙志國

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.中國國防科技信息中心，北京100142)

自1955年，Jackson首次提出多結太陽電池的概念以來，隨著金屬有機化合物化學氣相淀積(MOCVD)技術、材料生長技術和隧穿結串聯(lián)等技術的發(fā)展，己實現(xiàn)以砷化鎵三結太陽電池(GaInP/InGaAS/Ge)為主的多結太陽電池批產。砷化鎵三結太陽電池以其較高的轉換效率、材料晶格匹配易于實現(xiàn)和優(yōu)良的可靠性等優(yōu)勢己經在空間飛行器上得到了廣泛應用。GaAs多結太陽電池取代硅電池用于空間地球軌道飛行已有10多年的時間了。多結太陽電池的高轉換效率，較高的減反射率和較低的溫度系數(shù)使其在空間飛行器上大量使用。

除了在近地軌道衛(wèi)星上使用多結太陽電池以外，多結太陽電池還用于特定條件下的空間飛行任務上，如高溫高輻照條件下的Bepi Colombo水星探測行動、低溫低輻照下的Laplace木星探測行動以及大氣光譜移動條件下的火星探測行動等。本文報道了國外主要空間太陽電池生產公司最新產品的生產和應用情況。

1 德國AZUR公司的空間太陽電池

1.1 效率為29.8%的“3G30”太陽電池

德國AZUR公司最新研制的晶格匹配的空間三結太陽電池在壽命初期(BOL)時的效率為29.8%，在壽命末期(EOL)時的效率為28.1%(AM0，28℃)，這種電池被命名為“3G30”電池。目前，公司已為客戶提供了125 000片的“3G30”電池，電池厚度分為150和80 μm，有特殊需要的，電池厚度還可降至20 μm。電池尺寸有標準的4 cm×8 cm，還有大面積的8 cm× 8 cm和6 cm×12 cm。

圖 1所示是 100 mm直徑 Ge襯底的 4 cm×8 cm“3G30”太陽電池和150 mm直徑Ge襯底的6 cm×12 cm“3G30”太陽電池。兩片電池都是切角的，厚度150 μm，銀觸點，雙層減反射膜。為避免產生偏壓，電池可以通過內置或外置二極管的方式對電池進行保護[1]。

圖1 4 cm×8 cm和6 cm×12 cm的“3G30”電池樣品

圖2是對700個4 cm×8 cm的“3G30”電池樣品進行檢測的效率高斯分布圖，電池平均效率為29.8%。

1.2 “3G30”太陽電池的在軌實驗應用

圖2 “3G30”電池樣品的效率分布圖

2012年7月22日發(fā)射升空的德國科技衛(wèi)星TET-1上裝載了AZUR公司生產的“3G30”太陽電池。電池尺寸為4 cm×8 cm，厚度分別為150、80和20 μm三種，如圖3所示。

圖3 在軌測試的4 cm×8 cm“3G30”電池

在軌測試的太陽電池記錄了從2012年7月26日到2013年10月31日的實驗數(shù)據(jù)。TET-1衛(wèi)星上裝載的不同厚度太陽電池的相關數(shù)據(jù)如圖4所示[2]。

圖4 三種不同“3G30”太陽電池在軌實驗數(shù)據(jù)分布(AM0，28℃，虛線為實驗室數(shù)據(jù))

1.3 下一代35%效率的電池新技術的發(fā)展方向

在航天工程零失誤與高可靠的要求下，太陽電池作為衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，其技術也要不斷地更新發(fā)展，其中最重要的是提高太陽電池的轉換效率和降低質量。目前，AZUR公司正在研發(fā)AM0條件下BOL時35%效率的太陽電池，預計EOL效率至少達到30%。

現(xiàn)在，各國都在致力于新電池技術的研發(fā)，如1 eV材料(如GaInNAs)晶格匹配電池，多量子阱或量子點電池，反向生長電池等。

2 美國Emcore公司的空間高效太陽電池

2.1 效率為29.5%的ZTJ太陽電池

Emcore公司新一代InGaP/InGaAs/Ge三結ZTJ太陽電池的批量生產自2009年起已生產了超過300 000片電池，效率達到29.5%，裝備了35顆衛(wèi)星，主要為軍用、偵查及通訊衛(wèi)星，功率輸出1～25 kW。

以前，空間太陽電池一般采用“2個/片”的方式生產，即在每個直徑為100 mm的鍺片上生產出2個電池片，這種電池片的面積一般為20～30 cm2。近幾年，“1個/片”的生產方式悄然興起，這種生產方式成本低，電池片面積大，能夠接近61 cm2。截止到2013年，Emcore公司按照“1個/片”的方式生產了ZTJ電池60 kW，裝備了12顆衛(wèi)星。

2.2 ZTJ太陽電池的空間應用

Emcore公司的ZTJ電池在NASA太陽地球探索項目中的磁化層多角度探測(MMS)子項目上得到應用，為4顆MMS衛(wèi)星裝配了32塊太陽電池板和兩塊備用電池板，在EOL和正常太陽輻照情況下總的輸出功率超過5 kW。每顆衛(wèi)星上裝配8個殼體式太陽電池板，每個電池板上裝有162片“1個/片”的ZTJ太陽電池片，如圖5所示。

圖5 MMS子項目中使用的太陽電池板

NASA在2012年成功發(fā)射的核分光望遠鏡陣 (NuStar)上裝配了Emcore公司的“2個/片”ZTJ太陽電池，整個太陽電池陣是由5塊太陽電池板組成的電池翼，在EOL時的輸出功率達到750 W，如圖6所示[3]。

圖6 NuStar飛行器在軌示意圖

3 美國Spectrolab公司反向生長多結太陽電池

反向生長三結太陽電池的結構是先生長晶格匹配的頂電池和中間電池，后生長晶格失配的底電池，因此材料和器件的質量能夠得到保證，結構示意圖見圖7。反向生長的太陽電池的優(yōu)點有：更高的理論效率；電池的質量更輕；由于生長外延層的襯底可剝離，因此襯底可反復利用。

圖7 反向生長多結(IMM)太陽電池結構示意圖

美國Spectrolab公司一直致力于高效反向生長多結太陽電池的研究，并已有空間應用。大面積(26 cm2)IMM三結電池在AM0條件下轉換效率達到32%，開路電壓3.04 V，短路電流密度16.7 mA/cm2，填充因數(shù)0.84。IMM四結電池(1 cm2)在AM0條件下轉換效率為33%，開路電壓為3.42 V，短路電流密度為15.8 mA/cm2，填充因數(shù)0.82。

Spectrolab開發(fā)的晶格匹配的多結電池XTJ面積26.62 cm2；LEONE電池面積59.6 cm2，這兩種電池均為100 mm襯底。在此基礎上，又開發(fā)出了150 mm襯底，面積為72 cm2的XTJ SuperCell電池，電性能與機械性能與前兩種電池相當(圖8所示)。

圖8 面積為26.62、59.6和72 cm2的三種反向生長多結太陽電池

未來高性能空間太陽電池的技術方向為發(fā)展多結，一般3～6結電池結構，反向晶體生長，以達到理想的禁帶寬度，在1-sun，AM0條件下效率達到33%以上。反向生長三結和四結電池被認為是取代目前Ge襯底電池的下一代新型電池。圖9是Spectrolab公司開發(fā)的反向生長三結和四結電池結構示意圖[4]。

圖9 反向生長三結和四結電池結構示意圖

4 日本空間用薄膜太陽電池

4.1 日本JAXA開發(fā)的薄膜多結電池

日本航天研發(fā)機構JAXA近年來致力于研發(fā)薄膜III-V族多結太陽電池，JAXA研發(fā)的帶有透明膜的層疊薄膜電池名為“Space Solar Sheet(SSS)”。第一代SSS-1問世于2010年，為InGaP/GaAs雙結(TF2J)太陽電池，AM0條件下，轉換效率為25%，比功率0.4～0.5 W/g。這種薄膜電池分別使用兩種材料作為活性面，一種是透明樹脂膜，另一種是玻璃蓋片。經過空間環(huán)境和可靠性實驗，使用透明膜的電池低軌(LEO)使用可超過5年，使用玻璃蓋片的電池高軌(GEO)使用可達10年。圖10是面積為25 cm2的TF2J薄膜太陽電池樣品。

圖10 InGaP/GaAs薄膜雙結太陽電池樣品照片

TF2J電池是在Ge襯底上反向生長InGaP/GaAs雙結太陽電池外延層的。由于外延層厚度約10 μm，太薄難以處理，所以在電池制作過程中將Ge襯底完全去掉，在電池的背面形成支持層。AM0條件下的I-V性能曲線如圖11所示，短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)和最大功率(Pmax)分別為：421 mA、2 378 mV和860.5 mW。實驗表明，在幾百keV的光子能量區(qū)，TF2J電池比傳統(tǒng)的InGaP/GaAs/Ge三結電池的減反射性能更好。

圖11 TF2J電池的典型I-V曲線圖

4.2 薄膜電池組

把若干TF2J電池連接起來使用時，由于太薄，很難控制處理，所以需要把電池層疊連接起來形成電池組，把這樣的產品叫做“SSS”電池組。

圖12是分別使用透明樹脂膜和玻璃蓋片制作的TF2J電池連接成的電池組，上面的電池組是使用透明樹脂膜低軌應用的SSS-1F，下面的是使用玻璃蓋片高軌應用的SSS-1G。把5個TF2J電池單體連接起來形成電池組測試樣品，兩種電池組的最大功率分別為3.5和3.8 W，比功率分別為0.52和0.41 W/g，兩種電池組的性能曲線如圖13所示。

圖12 SSS-1F和SSS-1G電池組樣品照片

圖13 5個電池單體連接成的電池片SSS-1F和SSS-1G的I-V特性曲線圖

電池組SSS-1F和SSS-1G經過各種環(huán)境測試，如熱循環(huán)、濕度、空氣中高溫、真空中高溫、高溫下電流反向等實驗，實驗條件和結果如表1所示，兩種電池組在測試中均沒有性能衰降。性能測試與環(huán)境測試結果表明，電池組SSS-1F可以滿足低軌應用5年以上，SSS-1G可以滿足高軌應用10年的要求。

表1 環(huán)境測試條件和結果

5 總結

德國的 AZUR SPACE公司研制的晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三結太陽電池“3G30-advanced”轉換效率達到29.8%。美國Emcore公司研發(fā)的新一代三結ZTJ太陽電池轉換效率達到29.5%，已在35顆衛(wèi)星上得到使用。美國Spectrolab公司近年來致力于反向生長多結太陽電池的研究，反向生長三結太陽電池轉換效率達到32%。日本JAXA一直開發(fā)薄膜多結太陽電池，以達到輕質、高效的目標，目前研制的薄膜InGaP/GaAs雙結太陽電池轉換效率達到25%，通過模擬實驗可達到低軌5年、高軌10年的壽命[5]。

[1]STROBL G F X，F(xiàn)UHRMANN D.About AZUR's“3G30-advanced”space solar cell and next generation product with 35%efficiency[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:104-108.

[2] STROBL G F X.Development of lightweight space solar cells with 30%efficiency at end-of-life[C]//40thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Denver，US:IEEE，2014:3595-3600.

[3] FATEMI N.Qualification and production of Emcore ZTJ solar panels for space missions[C]//39thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Tampa，US:IEEE，2013:2793-2796.

[4] DANIAL C.Law，recent progress of Spectrolab high-efficiency space solar cells[C]//Conference on Nanophotonics and Macrophotonics for Space Environments VII.San Diego，US:IEEE，2012: 3146-3149.

[5] IMAIZUMI M.Overview of Japanese solar cell and panel development for space application[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:116-121.