低溫低光強對太陽電池陣性能影響分析與驗證

尹興月，劉吉曄，張 帥

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

探索宇宙造福人類，對月球及以遠天體的探測活動，是人類航天活動的重要方向和空間科學與技術創新的重要途徑，是當前和未來航天領域的發展重點之一。隨著科學探測技術的不斷發展，探測器探測的距離也越來越遠。

深空探測項目中，小天體探測日益受到重視，多目標多任務探測是深空探測的一種重要形式。太陽電池陣作為深空探測器電能源的主要來源，探測全程將太陽能轉換為電能，為星上設備供電。與地球軌道衛星不同，深空探測軌道上的光強隨著對日距離的增加而逐漸減弱，太陽電池陣在該軌道上的工作溫度也逐漸降低，存在低溫、低光強環境條件。

太陽電池陣在低溫低光強條件下的輸出功率會如何變化，是探測器太陽電池陣設計和應用過程中重點關注的問題。本文針對低溫低光強環境條件對太陽電池陣輸出性能的影響進行分析和實驗驗證，結合工程應用給出低溫低光強下太陽電池陣的功率預計方法，為遠距離深空探測太陽電池陣設計和整器功率平衡計算提供參考。

1 具有低溫低光強環境的探測軌道

多數探測器中使用太陽電池陣作為發電設備，通過光伏效應將太陽能轉換為電能，為探測器供電。在太陽電池陣效率一定的情況下，其受到的光強大小直接影響電性能的輸出。

太陽光強隨著探測器與太陽的距離增大而逐漸減小，與距離的平方成反比。以日地距離下的太陽光強E0為基準，則探測器與太陽間距為n(AU)時，太陽電池陣受到的光強為：

光強減弱，使得太陽電池陣在軌工作溫度隨之降低。不同天文距離下，光強和太陽電池陣在軌工作溫度情況見圖1。

圖1 光強、溫度隨天文距離變化趨勢

2 低溫低光強對太陽電池輸出性能的影響

2.1 仿真計算模型的建立

太陽電池在低溫、低光強的條件下工作，與近地衛星太陽電池陣的工作狀態有很大不同。低溫低光強效應使三結砷化鎵太陽電池載流子動能降低、本征載流子濃度降低、能帶寬度增加、漏電流增大，使太陽電池空間電荷區復合占主導，缺陷影響顯著。不同結構太陽電池片的電性能輸出特性受低溫低光強的影響程度不同，影響較大的情況下會出現“斷膝”現象，如圖2。

圖2 低溫低光強下太陽電池斷膝現象

為準確進行功率預計，參考太陽電池陣功率預計模型[式(2)]建立仿真計算模型：

式中：C1=[1－(Imp/Isc)]{exp[－Vmp(C2Voc)]}；C2=[(Vmp/Voc)－1]×[ln(1－Imp/Isc)]－1；V=V0+β(V)×(T－T0)；I=I0+I0×β(I)×(T－T0)。

上述模型中，未考慮低溫、低光強的因素。因此，低溫低光強下太陽電池陣的功率預計模型中，需增加兩因素的影響因子。本文分別稱為低溫影響因子K1和低光強影響因子K2。

國內外資料或工程應用中，不同類型的太陽電池、不同溫度、不同光強下的影響因子不盡相同。為此分別從低溫和低光強兩個方面的影響出發，進行測試和分析，以獲取不同工況下的影響因子數值。

2.2 低溫下太陽電池輸出性能測試結果

隨著太陽電池工作溫度的降低，電壓逐漸升高，電流減小，輸出功率升高。對太陽電池在－90～25 ℃的電性能進行測試，包括開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點電壓Vm、最大功率點電流Im。為準確獲得低溫對太陽電池輸出的影響程度，進行了－90～25 ℃太陽電池電性能測試，測試結果見表1。圖3 是電壓、電流隨溫度變化趨勢。

表1 －90～25 ℃太陽電池性能測試結果

圖3 電壓、電流隨溫度變化趨勢

測試結果表明，隨著太陽電池工作溫度的降低，電壓逐漸升高，電流減小，輸出功率升高。從曲線看，電壓隨溫度的變化為線性，因此確定低溫影響因子中電壓影響因子為定值。

在不同溫度下，電流隨溫度變化情況略有不同，低溫影響因子中電流因子K1(I)的數值需根據不同溫度范圍來確定，具體見表2。

表2 不同溫度下電流影響因子

2.3 低光強下太陽電池輸出性能測試結果

隨著光強的降低，太陽電池輸出電流降低，初期電壓無明顯變化，當光強降低至一定程度后，電壓逐漸降低。對太陽電池片在0.05 AM0～1 AM0(1 AM0=1 353 W/m2)光強下的電性能進行測試，包括開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點電壓Vm、最大功率點電流Im，確定低光強對太陽電池電壓、電流的影響因子。

對太陽電池在0.05 AM0～1 AM0 光強下的電性能輸出情況進行了測試，測試結果見表3。圖4 是電壓、電流隨光強變化趨勢。

表3 0.05 AM0～1 AM0 光強范圍內太陽電池片性能測試結果

圖4 電壓、電流隨光強變化趨勢

測試結果表明，隨著光強的減弱，電流、電壓均呈現減弱趨勢，在低于0.2 AM0 光強時，電壓下降趨勢增加，總體看電流變化趨勢較為線性。

2.4 模型簡化設計

綜合2.2、2.3 節實驗結果，低溫條件對太陽電池電壓的影響因子為線性，低光強對太陽電池電流的影響因子為線性。因此，在進行低溫低光強下太陽電池輸出特性計算時，需分別考慮低溫下電流因子和低光強下電壓因子的影響。式(3)和(4)簡化如下：

2.5 太陽電池陣低溫低光強測試驗證

在真空罐內，使用太陽模擬器提供光源，使用IV 曲線測試儀測試太陽電池電路輸出IV 曲線，獲得太陽電池電路在低溫低光強下的輸出性能。圖5是實驗件在真空罐內擺放狀態。

圖5 實驗件在真空罐內擺放狀態

實驗過程中太陽電池電路的IV 曲線如圖6～8 所示。

圖6 光強1 250.9 W/m2、70 ℃時IV曲線

統計各工況IV 曲線典型參數值，并與使用2.4 中計算模型獲取的數據進行比對，詳見表5。

圖7 光強274.5 W/m2、－15 ℃時IV 曲線

圖8 光強185.6 W/m2、－40 ℃時IV 曲線

表5 各階段測試IV 曲線典型參數統計表

低溫低光強條件下，太陽電池電路輸出電流減小至約14%，電流絕對值減小使得同樣誤差下所占的比重增大；電壓隨溫度的降低而升高，但低溫條件下整個電路的溫度一致性存在差異，因此低溫低光強下的誤差值較常溫下偏大。

根據表5 中數據，繪制太陽電池電路IV 曲線，見圖9。

圖9 計算、實測數據對比圖

從圖9 中看出，按照功率計算模型計算出的輸出功率和實驗中測得的數據吻合度高。

3 結束語

本文針對深空探測軌道上的低溫低光強環境條件對太陽電池陣輸出性能的影響進行分析和實驗驗證，結合工程應用給出低溫低光強下太陽電池陣的功率預計方法，參考近地軌道太陽電池陣功率預計模型，增加了低溫影響因子和低光強影響因子，建立的功率計算模型與實驗中測得的數據吻合度較高。

受測試條件和測試方法的影響，或許測試數據存在一定的誤差，但從工程應用的角度講，該結果可以作為參考指導型號應用與在軌功率預算工作。