空間環境太陽電池陣的一次靜電放電的機理與防護

林 璠

（上海電機學院，中國 上海 201306）

空間并非空無一物， 空間中幾乎到處存在等離子體。 等離子體是完全電離或者部分電離的氣體， 所包含的正電荷和負電荷的數目完全相等。 空間等離子體的主要成分是質子和電子，并含有少量其他正離子。

在空間等離子體環境中，電子和質子的能量相當，由于電子的質量遠小于質子的質量， 則電子的運動速度約為質子的43 倍，這意味著相同時間內入射到太陽電池陣表面的電子通量遠大于質子通量， 因此， 電池陣表面就會累積負電荷。 電子與電池陣表面相互作用時，表面原子有可能吸收能量，釋放出外層電子，形成二次電子發射。 在光照條件下， 電池陣表面將會產生光電效應， 引起光電流。 二次電子發射和光電流會減弱電池陣表面的負電位。 在太陽電池的表面， 一般使用玻璃蓋片對太陽電池進行防護， 玻璃蓋片的二次電子發射系數大于1，因此在充電過程中，玻璃蓋片俘獲的電子要遠遠少于太陽電池陣的其它材料。 這就使得玻璃蓋片和電池陣的其它材料之間形成反向電位梯度， 即玻璃蓋片電位大于其它材料電位。 由于蓋片表面沉積了MgF2 減反射層，在光照期間，光子在蓋片表面激發出更多的光電子， 使得玻璃蓋片的電位進一步升高，從而誘發一次靜電放電。

一次靜電放電發生在太陽電池陣的三交結區[1]，如圖1 中所示。 三交結區是指電池陣上絕緣體、 導體和等離子體三者交匯的區域。 一次靜電放電具體過程如下： 以互連片處為例， 因為玻璃蓋片和互連片之間存在反向電位梯度， 在交結區的附近形成電場； 在電場的作用下， 使互連片表面放出電子。 電子轟擊蓋片側面使其發射電子（二次電子），引起交結區電場的升高。 與此同時， 被激活的二次電子使得玻璃蓋片側面吸附的中性氣體脫離蓋片形成薄薄的氣體層。 在電場作用下，氣體層電離，電離產生的正電荷流向互連片，負電荷流向玻璃蓋片，導致靜電放電，如圖2 所示。 一次靜電放電在放電地點產生一個高濃度的等離子體。等離子體中的電子移動到蓋片表面與正電荷中和。 在移動過程中與氣體分子碰撞激發出更多的電子和離子， 直至所有蓋片表面的正電荷都被中和， 靜電放電結束。

圖1 電池陣上的三交結區

一次靜電放電會造成太陽電池的性能衰退[2]。 按照在電池陣上出現的不同位置， 一次靜電放電可以分為兩類： 一種是在互聯片和匯流條處的靜電放電，另一種是在電池邊緣的靜電放電。 其中電池邊緣的靜電放電會損傷電池使其輸出功率下降， 這是由于放電引起的焦耳熱會破壞電池的P-N 結（如圖3 中的類型2所示） 甚至使得P-N 結短路 （如圖3 中的類型1 所示）。 其中類型1 情況下的靜電放電對電池的破壞程度更為嚴重。

圖2 一次靜電放電過程示意圖

圖3 一次靜電放電對電池的損傷

圖4 脈沖電流和電壓波形

一次靜電放電會產生高電壓、 強電場、 瞬態大電流，脈沖電流的上升時間快、持續時間短，并伴隨有強電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖[3]，如圖4 所示。 電磁脈沖具有前沿陡、功率高、頻帶寬等特點，可以直接進入電池陣的電子設備或者通過孔縫、 線纜等耦合作用進入設備內部的敏感電路上， 引起敏感電路的翻轉、損壞，不僅可以對電子設備造成嚴重干擾和損傷，而且還可能形成潛在性危害， 使電子設備的工作可靠性降低，嚴重影響電池陣及衛星的在軌安全。

為了限制一次靜電放電的發生， 可以采取消除或控制太陽電池陣表面電位的方法。 從原理上說， 基本上可分為主動和被動兩類。

所謂主動控制，是在航天器上裝設電位控制設備，其工作過程完全可控[4]，如圖5 所示。電位控制設備在航天器表面發射荷電粒子束可以控制表面充電的狀況。主動控制比被動控制更為靈活、有效和徹底。從理論上講， 它是通過發射一束人造的荷電粒子流， 使進出航天器表面的各種電流總和等于零。 按通俗的說法， 可以認為控制裝置噴射出的荷電粒子束流相當于給存在電位差的不同部分搭上一根 “含有一定電阻的導體”，使其電位差降為零，從而消除電荷的積累。

圖5 空間站上的電子源

從控制原理上說， 只要能產生荷電粒子束的裝置都可用作表面電位控制設備， 可以分為電子源、 離子源和等離子體源三種。 主動控制技術在國內外許多衛星和大型航天器上都有應用。 但是主動控制技術還沒有應用于太陽電池陣， 可能是受限于該技術的復雜性以及設備重量、體積、功耗等原因。

所謂被動控制，是指通過結構設計、材料選擇、接地設計等方法， 對空間靜電放電進行抑制， 將衛星帶電危險減至最小，包括：表面分區接地，降低電荷積累量； 盡量采用金屬表面或表面金屬化， 使沉積在表面的電荷通過接地導走； 涂敷特殊性能材料。 被動防護方法在航天器定型之前就要有具體的實施方案， 否則當航天器發射到空間后則不能再進行改動， 具有一定的局限，無法應對各種惡劣的突發情況。

圖6 （a）ITO 膜蓋片結構；（b）ITO 膜網絡接地；（c）Rosetta 航天器上太陽電池陣表面ITO 網絡

目前主要采取的防護方式是通過建立靜電耗散通道， 將玻璃蓋片表面的電荷及時疏導， 避免建立能夠引起放電的電場分布[5]。 耗散通道的設計大致分為兩種， 其一為太陽電池陣玻璃蓋片表面連通共同接地，玻璃蓋片表面的電荷通過互連結構共同耗散到接地線路， 可以將太陽電池陣玻璃蓋片電位全部控制在參考電位， 這通常采用玻璃蓋片表面蒸鍍ITO 導電膜并互相連接實現， 如圖6 所示。 電池片的表面覆蓋有一定阻抗的ITO 導電薄膜，當單體太陽電池組成太陽陣后，每片玻璃蓋片上的ITO 膜通過焊接電極以串聯的方式實現相互聯接， 之后再并聯成網絡， 通過匯流條與太陽翼鉸鏈相連， 最后通過太陽帆板驅動裝置接入航天器“結構地”，以實現電荷泄放的目的。 通過蒸鍍ITO膜，使電池陣表面任意兩點之間電位差不超過±1V。美國和西歐國家發射的航天器中，例如美國的探險者31號衛星、GEOS 衛星、 太陽觀測衛星和測地衛星以及歐空局近期發射的Rosetta 衛星等，都在太陽電池陣表面使用了ITO 膜技術。圖6（c）為歐空局發射的Rosetta 衛星用太陽電池陣表面的ITO 網絡。 每片ITO 膜蓋片上的四個角都蒸鍍了電極， 用金屬片連接， 然后通過導線連接成網絡。這種設計對于GEO 航天器太陽電池陣的電位控制和靜電防護非常有效，但是對于LEO 太陽電池陣的靜電放電防護作用非常有限， 這是因為LEO環境中等離子體能量非常低、 密度非常大， 玻璃蓋片表面電位非常低，通常約為1～2V 非常接近參考電位，即使采用這種設計太陽電池陣三結合區域的電場仍然能夠形成，雪崩式的放電仍然具備產生條件。

圖7 通過互連片點膠連接玻璃蓋片上表面與太陽電池的下電極

耗散通道的第二種設計形式為， 通過建立玻璃蓋片與電池電路的直接通道， 而無需建立玻璃蓋片之間的連接通道， 這種設計可以消除三交結區電場的形成，根本上避免發生一次放電，既能夠用于GEO 太陽電池陣，也適用于LEO 太陽電池陣[6]。 在太陽電池串聯方向， 通過在互連片上點導電膠， 將玻璃蓋片上的靜電電荷通過互連片引入電池電路中， 實現單片電池的靜電防護作用（如圖7 所示）。 但是對于大面積太陽電池陣， 采用點膠需要增加人工成本， 難以滿足快速制造需求。