空間太陽電池低溫低光強測試研究

姚元鑫，尹興月，張啟明，于 輝

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

深空探測衛星由于工作在相對地球距離太陽更遠的太空中，其特點就是能接收到的太陽光強度更低，溫度也相對更低，如圖1 所示，太陽電池陣的輸出功率必然相應地減小，合理地設計太陽電池陣才能在離太陽較遠的太空中產生足夠的能量，滿足航天器的載荷。深空各行星環境參數[1]如表1所示。

圖1 溫度與距離的關系

表1 深空各行星環境參數

在衛星上可持續發電的太陽電池翼，在低溫低光強(low intensity low temperature，LILT)條件下的工作狀態尤其重要。三結太陽電池每個子電池都會遵循隨溫度與光強度變化而變化，每個子電池都有不同的帶隙和光吸收波段。對于串聯后的整電池，電壓是相加的，而總電流受子電池中最小電流的限制。三結太陽電池由三個子電池串聯而成，溫度和強度的影響變得更加復雜。各子電池都會隨著溫度的變化而變化。為預測在軌性能，開展地面的低溫低光強測試很重要。

本文介紹的LILT 太陽電池用于彗星探測軌道上，探測器與太陽最遠距離為3.0 A.U.，最低溫度為-107 ℃，太陽電池陣處于低溫低光強條件下，與近地軌道的光照和溫度條件有很大差異。為獲得該環境下太陽電池I-V 曲線特性以及電性能數據，需在地面模擬該環境并測試得到數據。

1 測試設備

為獲得低溫低光強的測試環境，需要完成太陽模擬器光強及溫控平臺改造，并控制測試誤差，使數據準確有效。

1.1 太陽模擬器

穩態太陽模擬器，可以提供穩定的光源輸出。太陽模擬器應滿足三個指標：AM0光譜，不均勻性≤±2%，不穩定性≤±1%。

由于氙燈光譜特點，在700～1 100 nm 波長范圍內存在很多尖峰，這些尖峰的能量很大，影響太陽模擬器光譜不匹配度，如圖2 所示。太陽電池材料的禁帶寬度隨溫度的變化而變化，此時存在尖峰的光譜可能會在測試中對電池的電性能產生影響。為消除這些尖峰對太陽電池測試帶來的影響，提高測試準確性，需對太陽模擬器進行改造。

圖2 AM0光譜與單燈太陽模擬器光譜對比

將單燈太陽模擬器改造成雙燈太陽模擬器，由氙燈和鹵素燈模擬AM0 光譜。增加光學器件，分別獲取氙燈750 nm以前的光譜和鹵素燈750 nm 以后的光譜，如此完成太陽模擬器光譜的改造，如圖3 所示，改造后的太陽模擬器與AM0 光譜更接近。

圖3 AM0光譜與改造后的太陽模擬器光譜對比

穩態模擬器低光強獲取方式有兩種。

一種方式是直接降低光源兩端電流，使光源輸出光強減弱；氙燈在低功率輸出的情況下光強不穩，如圖4 所示，用采集器采集電池的電流值，1 s 采集1 次，共采集30 s，測試光強的不穩定性。數據顯示電流最高7.05 mA，最低6.41 mA。

通過公式(1)計算得到不穩定度為4.76%，光強不穩直接導致無法準確測得太陽電池的電性能參數。

另一種方式是增加工裝，以遮擋的方式降低光強。增加工裝是為了在盡量小幅度改變模擬器光源輸出功率的情況下，通過遮擋減少光的輸出面積，從而達到量化降低光強的目的。在光源的照射下，溫度高于500 ℃，必須選擇耐高溫的材料；遮擋光源后必然對模擬器的光輸出產生影響，表現在光譜的變化和光均勻性的變化：任何材料都會對光進行吸收和反射，這就容易導致光譜在遮擋后發生變化。

為滿足上述要求，設計了光強衰減器，經多次實驗，實現了在小幅度調整太陽模擬器光強的前提下，完成太陽模擬器大幅度光強的衰減。實測增加光強衰減器后不同光強下的光譜曲線如圖4 所示。

圖4 不同光強下的光譜曲線

對測得的光譜積分后計算單位波長光強能量的占比，得到不同光強下的光譜分布情況，如表2 所示，通過表中的光譜分布可得到，在300～1 800 nm，三種光強下單位波長能量占比存在細微差異，添加器具后光譜分布變化幅度較小。

表2 不同光強下光譜分布對比

為了進一步驗證添加衰減器后光譜細微的差異是否對電池的測試產生影響，通過測試子電池和整電池電性能，對比不同光強條件下短路電流的變化，驗證模擬器光強及光譜準確性。如表3 所示，以3 A.U.的測試結果為例，測試結果表明，各子電池的短路電流均降低至1/9，添加光強衰減器實現了光強的降低，且光譜分布保持較好。

表3 1 A.U.與3 A.U.下短路電流對比

分別對添加光強衰減器后的穩定性和不均勻性進行測試，結果為：不穩定性為0.71%，不均勻性為0.98%。結果表明，經過改造后太陽模擬器的光譜匹配、光強不穩定性、不均勻性均滿足測試要求。

1.2 溫控系統

單體太陽電池測試設備實現低溫測試功能需要克服以下兩個問題：一是進行低溫工況測試時，工作臺低溫使被測電池片表面形成水霧，影響光透射，產生測試誤差；二是測試時光照會使電池片溫度升高，被測電池溫度控制難度較大。通過新增高真空腔體，將被測電池放置在真空腔體內進行測試，以避免水霧影響光源透射，通過升級溫控平臺控制軟件，使測溫、控溫更加精準。

1.3 測試方法

在低溫低光強環境下對太陽電池進行電性能測試，溫控系統需放置在有效光斑內，由數字源表完成太陽電池在當前環境的電性能測試，所有電池均用四線制測試，如圖5 所示。熱電偶分別放置在測試臺上，為被測電池提供準確的溫度數據。

圖5 測試平臺搭建

使用標準電池校準太陽模擬器，保持溫度為25 ℃，完成光強校準后便不再調整太陽模擬器光強。按需求設置測試溫度并完成當前溫度下的電性能測試。每個測試點同時測量溫度、電流、電壓。在測試期間，溫度保持在1 ℃以內變化。

2 測試結果

被測樣品為40 mm×60 mm 三結砷化鎵太陽電池，樣品在25 ℃條件下進行測試，圖6所示為太陽電池分別在1、2、3 A.U.三種光強下的I-V 曲線。

圖6 25 ℃三種光強下的I-V曲線

開展了1、2、3 A.U.三種光強下從25 ℃到-120 ℃下的電性能測試，并繪制出不同光強下電流、電壓、效率隨溫度變化的曲線，如圖7 所示。數據顯示，電流隨溫度的降低而降低，電壓隨溫度的降低而升高，電流和電壓隨溫度變化的趨勢并沒有因為光強的變化而發生大幅度的變化。最大功率隨著溫度的降低一直呈上升趨勢，在-100 ℃以后上升趨勢逐漸平緩，結果表明，光強對電池各項參數的溫度系數影響較小。

圖7 不同光強下電流、電壓、效率隨溫度變化的曲線

最終獲得了各典型環境條件下的I-V 曲線以及參數，如圖8 所示，其中最終目標軌道環境條件為3 A.U.，-110 ℃下效率最高可達34.5%。

圖8 不同光強和不同溫度下的I-V 曲線

3 結論

本文通過改造太陽模擬器和溫度控制，使其滿足低光強的測試條件，經過驗證測試表明，改造后的太陽模擬器其光譜與AM0 光譜非常接近，不穩定性和不均勻性分別為0.71%和0.98%；增加高真空裝置，升級溫控平臺，減小了外界因素帶來的測試誤差。最終搭建的測試平臺滿足低溫低光強的測試要求并完成了低溫低光強測試，結果表明，測試平臺滿足LILT 電池對于光強、光譜及溫度的測試需求。本文的測試數據可以為LILT 電池的優化以及深空探測提供有效的數據支撐。