淺析航天用太陽電池標定技術及標準

黨欣

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

標準介紹與實施

淺析航天用太陽電池標定技術及標準

黨欣

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

文摘：分析國內外主要航天用太陽電池標定技術和相關標準，結合多結太陽電池技術的發展，提出我國航天用太陽電池標定標準的修訂建議。

太陽電池標定；電池標準；航天行業標準。

航天器光伏電源系統的研制，必須有高精度的太陽電池特性參數測試數據作為依據。航天器太陽電池陣通常由大量單體太陽電池組成，單體太陽電池電性能測試的微小誤差將會對太陽電池陣設計造成嚴重的影響。如果測試結果偏高，太陽電池陣的實際輸出功率就達不到設計要求，造成供電不足；如果測試結果偏低，則會導致太陽電池陣面積、重量以及成本的增加，造成資源的浪費。因此，需要太陽電池在AM0（大氣質量為零狀態）標準陽光條件下的參數，以便獲得標準太陽電池，作為太陽電池、太陽電池組合及太陽電池陣設計與試驗的基準。

太陽電池具有光譜吸收選擇性特點，其電性能與入射太陽總輻照度和光譜分布有關。由于地面太陽輻射受到濃厚大氣的吸收，其總輻照度和光譜輻照度分布與大氣層外層的不大相同，而且會隨不同地區（緯度）、不同季節、不同時刻變化。航天器的運行軌道通常是在大氣層以外或者是接近大氣層上界，即航天用太陽電池的實際工作環境的光照條件也是大氣層外的陽光條件。國際上將大氣層外的陽光輻照條件規定為空間太陽電池的標準測試光照條件，稱為AM0陽光條件，確定標準太陽電池在標準光照條件下短路電流的過程就是標準太陽電池的標定。

1 國外航天用太陽電池標定技術及標準

目前，國際上主要的航天機構在太陽電池標定技術領域均開展了長期的研究工作。國際標準ISO 15387-2005《Space systems-Single-junction solarcells-Measurementandcalibration procedures》（航天系統-單節太陽電池-測量與標定程序）規定了單節太陽電池測量與標定程序要求，標準正文規定了大氣質量為零狀態（AM0）下的標定要求，在附錄中提供了相關測量細節。該國際標準列入了目前實際應用的幾種標定方法：高空氣球標定法、高空飛機標定法、地面直接陽光標定法、太陽模擬器法和微分光譜法。

美國NASA/JPL（國家航空航天管理局/噴氣實驗室）試驗室從上世紀60年代開始使用“高空氣球標定法”。其具體做法是：利用高空氦氣球將太陽電池送到距地面35km左右的高空，使電池對日定向并自動測量其短路電流，然后將測試結果通過無線電傳回地面，測試結束后利用降落傘將電池回收。由于在35km左右的高空剩余只有不到0.5%的大氣，地球大氣對于陽光幾乎沒有影響，這時的陽光條件非常接近AM0陽光條件，因此可得到準確的標定結果。美國和歐洲的主要航天機構都利用這種手段得到AM0標準太陽電池。

美國NASA劉易斯研究中心從1963年開始采用“高空飛機標定法”。其具體做法是：將待標定的太陽電池安裝在開有窗口的高空飛機上，在不同的飛行高度上測試電池的短路電流，并計算出各飛行高度對應的大氣質量，畫出短路電流相對大氣質量的關系曲線；短路電流的自然對數與大氣質量呈線性關系，將曲線外推到大氣質量為零處，即可得到標定結果。由于飛機不能到達像氣球那樣的高度，不能排除地球大氣對陽光的影響，因此只能用外推的方法得到太陽電池的AM0短路電流。與無人操縱的高空氣球相比，高空飛機具有更大的靈活性、能夠比較方便地對日定向、更換和回收太陽電池以及受天氣條件影響小等優點，美國NASA仍將其作為AM0標準太陽電池的主要標定手段。高空飛機標定方法的主要問題是：由于采用外推方法，不能排除高層大氣對陽光的影響，需要對高層大氣的性質及其運動規律有詳細了解，以及大量的飛行經驗，否則外推的誤差將會很大。

“太陽模擬器法”和“微分光譜法”可在實驗室進行標定，使得標定工作更加方便。人造太陽模擬器光源在光譜上與標準AM0光照條件有一定的差異，會給測試帶來嚴重的誤差。因此，實際的標定過程是：選擇一片與被測太陽電池性能一致或接近的標準太陽電池，然后用它來調節太陽模擬器光強，只要將模擬器的光強調整到能使標準太陽電池短路電流輸出與標準光照條件下的數值一樣，用這時的光照條件對被測電池進行測試，其結果就與被測電池在標準光照條件下的測試結果相同。

2 我國航天用太陽電池標定技術及標準

“地面直接陽光標定法”為中國空間技術研究院（CAST）研究提出的方法（在本文第3章進行詳細介紹）。這種方法可在地面進行，不需要高空氣球或飛機等昂貴的運載工具，因此費用較低。但由于測試要求在地面良好的陽光條件下進行，受天氣的限制較大，需要選擇適當的季節和地點才能得到準確的標定結果。

目前，我國航天用太陽電池標定標準為GB/T 6496-1986《航天用太陽電池標定的一般規定》、規定的地面直接陽光標定法。該方法參加了兩次太陽電池國際標準標定測試巡回比對，測試結果偏差在1%左右。該方法通過光譜修正將在地面陽光測得的太陽電池的短路電流換算到標準AM0陽光條件下的短路電流標定結果[1]。其標定原理是：選擇室外直接陽光下測量太陽電池的短路電流、溫度、太陽輻照度和太陽光譜輻照度，以及測量太陽電池的光譜響應，利用公式（1）即可得到太陽電池在AM0標準陽光下短路電流（Isc0）：

式中：Im——太陽電池短路電流實測值；Em——地面陽光輻照度實測值；Es（λ）——地面陽光光譜輻照度實測值；E0（λ）——AM0標準陽光光譜輻照度；SR——太陽電池相對光譜響應實測值。

3 地面直接陽光標定法的局限性及高空標定和空間標定方法

3.1 我國航天用太陽電池標定的局限性

隨著空間技術的飛速發展，多結砷化鎵太陽電池以其更高的轉換效率、更好的抗空間輻照能力、更低的溫度效應等優點，逐步取代了硅太陽電池成為空間主要發電裝置。多結太陽電池與單節太陽電池的工作原理相同。不同的是單節太陽電池有1個PN結組成，吸收特定光譜的太陽光，其轉換效率較低；多結砷化鎵太陽電池由多個PN結串聯組成，采用高導電率、高遂穿電流的隧道結連接，用不同禁帶寬度的材料制備PN結，按禁帶寬度大小疊合，分別有選擇性地吸收和轉換太陽光譜的不同波段，從而達到大幅度提高太陽電池轉換效率的目的。

多結電池的結構特點使得其標定和測試都變得比單節電池復雜得多，采用地面直接陽光標定方法從理論上遇到了嚴重的困難。由于多結太陽電池的光譜響應組成具有復雜的開頭和較寬的波長范圍，而一般的太陽模擬器的光譜輻照度與標準光譜輻照度有較大的差異，使得測試光源的設定不能像測試單節太陽電池那樣通過簡單的調節模擬器的光強來完成[2]。因此，只有在太陽電池的實際使用環境中進行標定，才能夠更準確地評價其性能指標。

3.2 航天用太陽電池的高空標定和空間標定方法

我國分別于2006年和2012年進行了高空氣球標定試驗，對搭載的單晶硅和砷化鎵太陽電池進行了標定，取得了初步成果，但在標定設備研制、標定程序設計等方面還需要改進和完善。

空間標定是航天太陽電池標定技術的發展方向，國外航天機構正規劃通過載人空間站進行太陽電池標定。外層空間太陽電池標定的搭載方法很多，無論在何種搭載媒介上，在對太陽能電池進行標定時，都需要使太陽能電池處在最理想的空間標定環境中，其中最主要的是太陽光對太陽能電池的直射條件。為促進新型太陽電池的研制和應用，需要設計一套太陽電池空間標定裝置，保證在對太陽能電池進行數據采集時能夠使太陽直射電池，從而能夠保證采集數據的可靠性、有效性和真實性[3]。

4 建議

目前，我國航天用太陽電池標定技術和現有標準已不完全適應多結砷化鎵太陽電池，需要結合多結太陽電池標定技術發展和實際測試情況對標準進行修訂。同時，為了更精確的進行太陽電池標定，需不斷完善高空標定技術、研究發展空間標定技術，促進我國航天新型太陽電池的研制和應用。對我國航天太陽電池標定技術的發展及相關標準修訂建議如下。

a）我國航天用太陽電池高空氣球標定技術尚不完善，空間標定尚未開展，目前還應繼續沿用地面直接陽光標定法。

b）雖然地面直接陽光標定法不能直接進行多結太陽電池的標定，但多結太陽電池可以做成標準子太陽電池，標準子太陽電池都是單節結構，多結太陽電池的標定可以轉化為對多個單節太陽電池的標定。GB/T 6496-1986應增加多結太陽電池采用地面直接陽光標定法的相關要求。

c）參考ISO 15387-2006，繼續開展高空氣球標定工作，對測試結果的重復性、穩定性和準確性進一步驗證，確定高空氣球標定系統的系統誤差，完善高空氣球標定技術并相應開展標準的修訂工作。

d）后續研究發展空間標定技術，實現對太陽電池最精確的標定。

[1]Results from the 1st international AMO calibration round Robin of silicon and GaAs solar cells，3rd WCPVC，2003.5.

[2]孫皓，等．光譜失配對標定太陽電池產生的影響分析[J]．中國軍事科技期刊，2011（5）．

[3]張亞，等．太陽電池空間標定技術初探[J]．宇航計測技術，2010（2）．

黨欣（1983年—），男，工程師，現從事航天電源系統標準化工作