石墨烯膜實現超高壓太陽電池陣的靜電防護

張 琦，蘭志成，崔新宇，張 偉

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

0 引言

在宇宙空間建立太陽能電站是航天工程的一個重大目標，是解決空間能源問題的重要手段。太陽能電站擬設置在地球同步軌道上，通過大面積的太陽電池陣，將大量太陽能轉化為可利用的電能。空間電站太陽電池陣主要發展趨勢是實現輕量化、高效率和超高電壓，以滿足節約發射成本、減少電力傳輸距離、降低損耗的需求。因此，超高壓大功率的全柔性太陽電池陣（由高效薄膜電池與柔性基板組成）將是空間電站太陽電池陣的最佳選擇[1-2]。其中，超高電壓的好處是可以降低電流，從而減少傳輸損耗。而空間等離子體環境會使太陽電池陣串間發生靜電放電致使太陽陣電路損傷甚至失效[3-7]。超高壓的太陽電池陣更易誘發靜電放電，現有的防靜電方法也無法有效地解決超高壓太陽電池陣防護問題。雖然不同于傳統剛性太陽電池陣，全柔性太陽陣一般采用整體封裝的方式，相比之下表面電勢差小，但在高壓條件下，這些非導電材料上堆積的電荷穿透表面材料到達柔性陣內部，仍有誘發放電的可能性。

在超高壓條件下，如果能將太陽電池陣表面用同一種材料完全覆蓋，并且覆蓋材料外表面具有一定的導電性能夠使表面電荷迅速導走，形成電荷泄放通道，實現表面近零電位，就能從根本上解決靜電放電問題[8]。同時還要考慮覆蓋材料的透過率，以保證太陽電池陣對太陽光的吸收不受影響。因此表面覆蓋材料需要具有導電性好、透過率高的特點。并且對于全柔性太陽電池陣，柔韌度也是需要考慮的一個指標。

石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成，是最薄的二維材料，具有超薄、超柔、高比表面積等特性[9-11]。用單層石墨烯制成的膜系，在導電性、透過率均有優勢[12-14]。從其特點上看，石墨烯透明導電膜適用于超高壓全柔性太陽電池陣的靜電防護。基于化學氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)的方法，制備了單層石墨烯薄膜，并運用于全柔性太陽電池組件的表面封裝。在750 V 超高串間電壓的條件下，該太陽電池組件在地面充放電試驗中未發生放電現象，組件性能未發生衰降。該結果驗證了石墨烯膜靜電防護能力，對于超高壓太陽電池陣的研制與應用起到了推進作用。

1 太陽電池陣靜電放電危害

1.1 空間等離子體環境

根據探測衛星數據表明，太陽風與地球磁場相互作用，使得地球磁場及其俘獲的帶電離子帶發生畸變。在地球同步軌道，受地磁亞暴環境的影響，衛星處于高能、低密度等離子體環境中，容易發生不等量充電并誘發靜電放電事件。

當等離子體與航天器相互作用時，主要是電子對航天器表面充電。表面充電的電子能量范圍通常是0 keV～50 keV。在電站位于的地球同步軌道，航天器進入到地磁亞暴引起的增強等離子體環境時，將發生明顯的充電現象，充電電位高達負數千伏，并造成局部電勢差異。在軌飛行期間太陽電池陣完全暴露在空間環境中，由于不等量電荷的積累和二次電子發射的影響，在太陽電池陣表面很容易誘發空間靜電放電（一次放電）。

1.2 太陽電池陣的充放電

傳統剛性太陽電池陣，表面包括玻璃蓋片、金屬互連片以及基底等介電常數和二次電子發射系數不同的材料，在空間等離子體環境中，這些材料會產生不等量電荷積累，出現電勢差從而導致靜電放電。電池串相鄰太陽電池之間存在很高的壓差的情況下，在靜電放電環境中更容易形成高濃度電荷通路，即二次放電現象。二次放電對太陽電池陣有巨大危害，其產生的熱量使得太陽電池之間或太陽電池與太陽電池陣基板之間的材料發生熱解，聚酰亞胺膜熱解炭化后留下一低電阻通路。之后太陽電池串電流將從此低阻通路流過，閉環回路形成，導致太陽電池陣永久性短路，系統功率大幅下降。對于全柔性太陽電池陣，表面采用薄膜或者玻璃整體封裝，不會產生玻璃蓋片與金屬互連片之間的電荷不均勻區域，一定程度上可以減少靜電放電現象。但在高壓條件下，絕緣材料表面材料積累的電荷仍舊是巨大隱患。為了探討全柔性太陽電池陣的充放電事件，制作了一組全柔性太陽電池組件，如圖1 所示，該組件由透明薄膜、薄膜三結砷化鎵電池和聚酰亞胺薄型基板組成。在串3和串4 之間施加串間電壓，進行地面充放電模擬試驗，試驗條件為電子能量：14.0 keV、電子電流密度1 nA/cm2、太陽電池串間供電電壓為200 V 高壓。結果在實驗中全柔性太陽電池陣出現了靜電放電現象，雖無明顯的二次放電，但全柔性陣的封裝材料或者基底材料的耐熱性更差，靜電產生的電火花使材料變形甚至燒熔，對電池電路產生應力作用，增加了發生電路異常的可能。

圖1 靜電放電后太陽電池組件及靜電放電位置局部放大圖

在表1 中，給出了試驗前后4 個電池串電性能的對比（AM0，25 ℃），可以看出串3 和串4 分別因靜電放電而出現了開路和短路現象。該試驗說明了，雖然整體封裝實現了表面的近等電位，在高壓條件下，全柔性太陽電池陣仍會出現靜電放電，對太陽電池陣造成嚴重損害。

表1 靜電放電前后全柔性太陽電池組件性能對比

2 石墨烯膜封裝全柔性太陽電池組件的研制

2.1 石墨烯透明導電膜研制

CVD 是目前最常用的一種石墨烯生長方法[15]，用CH4或其他含碳化合物作為碳源，碳原子在高溫退火的過程中沉積在基底表面，然后生長得到石墨烯。為了制備石墨烯透明導電薄膜，在金屬基底上生長的石墨烯還需要轉移至其他非導電基底上，選擇乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE），因為ETFE 膜透過率、機械強度、絕緣強度均有優勢，還具備空間飛行經驗。圖2 所示為ETFE 基底上的石墨烯透明導電膜，其透過率和導電性可以達到94%和250Ω/□。

圖2 CVD 法制備的石墨烯薄膜

2.2 石墨烯透明導電膜的一體化封裝

太陽電池陣的發電單元采用反向生長的薄膜三結砷化鎵薄膜太陽電池，規格為20 mm×40 mm，單片電池面積8 cm2。其制備方法是，利用低壓MOCVD 設備，在襯底之上，先生長與襯底晶格匹配的GaInP 頂電池和Ga(In)As 中間電池；接著是漸變緩沖層，從襯底的晶格逐步過渡到生長底電池所需要的晶格；最后是帶隙約為1 eV 的、與襯底晶格失配的GaInAs 底電池的生長。在此之上，是為制作電極而生長的Cap 層。反向生長晶格失配三結太陽電池外延結構如圖3 所示。

圖3 反向生長晶格失配三結太陽電池外延結構

太陽電池單體之間采用互連片連接形成電池電路，采用純銀互連片，同時，互連片設計有減應力環，以減少由于熱應力造成的互連片損傷。太陽電池組件采用串聯片數為5 片，共2 串，共計使用10 片電池，組件內太陽電池內聯組件面積為80 cm2。

基板選用聚酰亞胺復合材料基板，其特點為重量輕、厚度薄，具有一定機械強度。將石墨烯透過導電膜、薄膜電池電路、柔性基板用層壓的方式做成組件，制得試驗樣品如圖4 所示。

圖4 石墨烯膜封裝的全柔性太陽電池組件

3 石墨烯透明導電膜靜電防護能力驗證

為了驗證石墨烯透明導電膜封裝的全柔性太陽電池組件的防靜電能力，利用空間等離子體帶電效應模擬試驗裝置進行了地面模擬太陽電池陣充放電試驗，根據先前研究效果[3]模擬源參數設定為電子能量14.0 keV、電子電流密度2 nA/cm2。通過在圖4 樣品的兩串之間加一個可變電阻，再給施加橫電流的方法，控制串間電壓和串間電流。在試驗中，電流設定為4 A，通過增大可變電阻的阻值，在兩串之間產生不同的壓差。

試驗中壓差調節從200 V 高壓開始，以50 V 為單位，最高升至750 V 的超高壓。在樣件前方設置電位計，用于測量試驗過程中石墨烯透明導電膜的表面電位。整個裝置處于真空環境中，真空度不大于8×10-4Pa。試驗過程由VCR 相機記錄，用于捕捉可能出現的放電現象。

對于石墨烯透明導線薄膜封裝的全柔性太陽電池陣，由于試驗過程中表面接地，在不斷增大串間電壓的過程中，表面良好的導電性，保證了表面電荷快速泄放，因此在試驗中未觀察到放電現象。通過電位計測量的表面電位均小于-10 V。試驗后，將樣件取出觀察外觀并測量其絕緣性，結果未發生明顯變化。在表2 中給出了兩串電池在試驗前后的電性能測試結果（AM0，25 ℃），可以看出電池串的性能基本無變化，超高壓條件下的充放電模擬試驗沒有對全柔性太陽電池組件造成損傷。

表2 靜電放電前后石墨烯導電膜組件電性能對比

石墨烯優秀的導電性使電荷迅速泄放，保持了柔性太陽電池組件表面近零電位的狀態，將一次放電的概率為零，太陽電池陣靜電損傷失去了先決條件，理論上串間電壓再增加也不會導致靜電放電現象。因此超高電壓全柔性太陽電池陣使用石墨烯透明導電膜實現靜電防護是可行性，且相對于其他透明導電膜，石墨烯材料在導電性、透過率、柔性上都有優勢。固化制備工藝，針對性解決環境適應性問題，石墨烯將在空間應用中發揮更大的作用。

4 結論

空間電站對超高壓全柔性太陽電池陣提出了應用需求，超高壓條件下的太陽電池陣靜電放電損傷的問題亟待解決。試驗證明全柔性太陽電池整體絕緣封裝在高壓條件下會導致嚴重的靜電損傷，電池串性能大幅下降。利用表面導電膜，實現電荷快速泄放，從根本上解決靜電放電問題，是解決該問題的最佳方法。石墨烯具備優異的導電性和透過率，通過化學氣相沉積的方法，制備出石墨烯透明導電膜的透過率94%，方塊電阻250 Ω/□。利用一體化封裝技術將石墨烯透明導電膜、薄膜電池組件和柔性基板制成全柔性太陽電池組件，在750 V 的超高串間壓差下進行充放電試驗，結果表明石墨烯膜阻止了靜電放電現象的發生，試驗前后電池性能無變化。石墨烯透明導電膜在超高壓條件下太陽電池陣靜電防護的優異表現，為超高壓全柔性太陽電池陣的發展和應用提供了積極影響。