低軌衛星太陽電池陣靜電放電研究

聶 海，楊湛林，寇 韻，李 進，肖 瑾

（上海空間電源研究所，上海 200233）

0 引 言

低軌衛星的處于大量空間粒子軌道環境里，為一個等離子體空間，其高壓太陽電池電路將與等離子體作用而產生靜電放電（ESD）。太陽電池陣由于其電池片結合處的作用會產生靜電放電效應，靜電放電會誘發高壓電池串間的二次電弧，造成太陽電池陣損傷。一次放電持續時間短，而且能量較低，因此對太陽電池電路及基板造成的損傷較少，而一次放電會進一步引起二次放電，從而導致太陽電池陣電路及基板受損甚至失效。

太陽電池陣電路通過電池片的串接形成一定電壓，在串聯電壓超過一定值（70 V～80 V）時，有可能發生二次放電，持續放電可能導致太陽電池陣電路損失，最終影響電池陣的輸出功率。因此需對電池陣的開展靜電試驗，依據具體試驗結果指導電池陣設計，降低靜電發生風險。本文敘述了測試時的靜電放電試驗情況，并對試驗結果進行分析。

1 太陽電池陣靜電放電局部失效原因

太陽電池陣的導體、絕緣介質和空間等離子體三者結合的區域是靜電放電敏感區域。由于在空間軌道環境中，空間粒子的轟擊以及太陽光照射產生的二次發射電子，太陽電池單片外面的玻璃蓋片表面將發射電子，使太陽電池單片外面的玻璃蓋片處于充電，形成一個正電勢，與此同時，太陽電池陣基板的電位變化不大。當太陽電池單片外面的玻璃蓋片與太陽電池陣基板之間的電勢差超過一定范圍時，積累造成的電勢差將在電池片蓋片及電池陣基板之間的放電通道發生放電，使得電荷中和。在真空環境下，金屬與非導體介質結合部會引起弧光放電，導致ESD事件發生，放電時間較小，為微秒級，可能對太陽電池單體造成輕微的損傷，這種在太陽電池單片外面的玻璃蓋片和太陽電池單片金屬連片之間產生一個高濃度的電勢中和稱為等離子體的一次放電。當不同太陽電池串之間由于工作狀態不同造成的電勢差高于一定電壓時，使得高電位的太陽電池串部分電流在毫秒級的時間里流向低電位的太陽電池串，形成一定時間的放電，稱為二次放電。二次放電可以是也可以不是持續式的放電；如果二次放電僅發生在一次放電時間內，當一次放電停止二次放電同步結束，這種二次放電為非持續放電；形成二次放電，其電能遠高于一次放電，一般能夠維持毫秒數量級的時間，稱為持續放電，當放電通路產生了相當的能量時，可能使太陽電池電路之間或太陽電池單片與太陽電池的基板之間的材料產生熱解，熱解后留下一個低阻通路，太陽電池串的電流則通過此低阻通路與太陽電池基板及結構形成一個閉環回路，導致太陽電池陣電路的永久性短路。

文獻[1]表明二次放電的主要表現形式是弧光和發熱，損傷表現為對基板造成燒蝕甚至碳化，但是只有在發生持續放電的情況下才可能產生這種損傷，而發生非持續放電對太陽電池性能的影響微乎其微。

2 太陽電池陣靜電放電試驗

三結砷化鎵太陽電池產品采用帶隙調整鍺襯底上生長小失配中頂電池技術，進一步提升了吸收太陽光的能力，平均光電轉換效率不低于32%，具有電流密度高，抗輻射能力強。一次閾值試驗主要摸索太陽電池電路發生一次放電的偏壓值，同時指導二次閾值試驗接地偏壓的選取。二次閾值試驗是為了測試太陽電池串之間會引起二次放電，所需的最小電壓值，從而指導后續太陽電池電路串聯和并聯設計。

太陽電池電路產品采用的疊層電池組件粘貼工藝、太陽電池陣組件串聯焊接工藝、電路錫焊工藝等，按照《SC-3GA-4-30 三結砷化鎵太陽電池4型80.0×40.0技術條件》中鑒定試驗要求和試驗方法進行了相關溫度沖擊試驗、帶電粒子輻照試驗、恒壓反向偏置和反向偏置交變試驗、穩態濕熱試驗、蓋片增益和太陽吸收率、半球向輻射率試驗，試驗期間對試驗件進行了性能測試和外觀檢查，太陽電池電路輸出功率穩定，無明顯變化，太陽電池電路導通、絕緣情況正常，無焊點脫焊，試驗結果均滿足要求。

2.1 放電試驗電池參數

一次放電試驗電池件為40 mm×80 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池，在基板上布貼5s3p的三結砷化鎵太陽電池組件，采用32%效率電池，電池并聯間隙為2 mm。電池引出線為Raychem公司的55/0112-24-9宇航級導線，焊于每個組件輸出端，導線穿過基板后引出并與罐內電纜相連，穿線孔處用硅橡膠固封。基板采取37.5 kΩ高阻接地（兩個75 kΩ電阻并聯），實物如圖1。

二次放電試驗件有2個。試驗件1尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結砷化鎵太陽電池組件，并聯間隙為2 mm且間隙涂膠，通0.65 A電流，如圖2所示。試驗件2尺寸為40 mm×80 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池，布貼有3s2p的32%效率疊層三結砷化鎵太陽電池組件，并聯間隙為3 mm，通0.65 A電流，實物圖如圖3所示。電池引出線為Raychem 55/0112-24-9宇航級導線，焊于每個組件輸出端，且導線穿過基板至板后引出與罐內電纜相連，穿線孔用硅橡膠固封。基板采取37.5 kΩ高阻接地（兩個75 kΩ電阻并聯）。

2.2 放電試驗過程

一次放電閾值試驗：真空罐抽真空，12 h真空脫氣然后打開等離子體源并監測等離子體環境參數，再將接地偏壓從-60 V起每1.5 h下調-5 V直至出現一次放電，結束試驗。

二次放電閾值試驗：真空罐抽真空，12 h真空然后打開等離子體源并監測等離子體環境參數，接著在太陽電池串上通以650 mA電流，并在太陽電池串串間加上50 V電壓（即在電阻R的兩端加以50 V電壓），再將接地偏壓從-110 V起，未出現一次放電每1 min下調接地偏壓-5 V，在50次一次放電后調節串間電壓，每次串間電壓升高5 V直至出現二次放電事件，停止試驗。

太陽能電池放電模擬的等離子體環境模擬設備實物圖見圖4示意。

3 試驗結果分析

太陽電池陣試驗按照其理論最大短路電流進行試驗，其二次放電閾值略有下降。實際上單并太陽電池在室溫、AM0光譜下的短路電流約為518 mA，即使考慮在軌最高工作溫度90 ℃、測試誤差、地球反照光、冬至最大日地因子等因素，其單并太陽電池初期短路電流仍低于0.6 A（直照溫度按90 ℃，測試誤差按1.02、日地因子按1.034、地球反照光按1.05計算，其理論最大短路電流為594 mA）。

短路電流密度為17.2 mA/cm2，電池面積為30.15 cm2，最大短路電流計算如下：

為降低靜電放電造成的風險，太陽電池電路理論上在一路TR載荷分陣供電、相鄰一路分流時，會在相鄰電池串正端位置出現最大68 V的壓差，該種情況僅在+X翼中板上有二處，在+X翼內板上有三處，在+X翼中板上有二處，在+X翼中板上有三處，二次放電閾值遠大于68 V的最大壓差，無靜電放電風險。而且，國內外的試驗數據表明，電流不小于1 A才能夠使二次放電持續進行，形成持續放電PSA，并對太陽電池電路造成損傷，太陽電池電路每一并太陽電池均獨立輸出，電流不超過0.6 A，因此不會發生持續性放電。

（1）一次放電試驗過程正常，太陽電池試驗件一次放電閾值為-115 V；

（2）二次放電試驗過程正常，太陽電池試驗件1在210 V未發生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯間隙2 mm，間隙涂膠，電流0.65 A）。

（3）二次放電試驗過程正常，太陽電池試驗件2在210 V未發生二次放電，其二次放電閾值不低于210 V（并聯間隙3 mm，電流0.65 A）。

兩個二次放電的試驗件的二次放電閾值均不低于210 V，試驗后試驗件的外觀無異常，導通、絕緣均滿足要求。

4 結 論

本文對一次放電和二次放電試驗的情況進行了介紹，本次試驗制備了兩種狀態的二次放電試驗件，分別為并聯間隙2 mm、間隙涂膠試驗件和并聯間隙3 mm的試驗件，兩種試驗件的二次放電閾值均不低于210 V，太陽電池電路在軌工作時的實際壓差遠低于該閾值，因此太陽電池串間電壓低于210 V時無二次放電的風險。