空间三结砷化镓太阳电池的激光防护研究

激光技术在空间中的广泛应用,增加了航天器太阳电池阵受激光辐照的可能性。为了解决激光损伤太阳电池的问题,搭建了激光辐照太阳电池实验平台,研究了激光对空间三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并设计了一种针对1 064 nm激光的防护盖片,可使防护波段的能量衰减94%以上,实验验证了该盖片能够实现空间三结砷化镓太阳电池的激光防护。

三结砷化镓太阳能电池外延层表面抛光技术研究

以空间用三结砷化镓(GaAs)电池外延表面抛光为研究对象,对抛光压力、抛光转速、抛光液pH等参数进行试验研究。研究结果表明:选用抛光压力40 g/cm^(3),采用55 r/min的转速,有效氯含量为5%的抛光液,对三结砷化镓太阳能电池外延表面有良好的抛光效果,可得到良好的表面颗粒度,即表面粗糙度小于0.4 nm、颗粒粒径大于0.2μm(含0.2/μm)的数量低于50个,颗粒粒径小于0.2μm的数量低于100个的外延片表面,为键合技术用于三结砷化镓太阳能电池的批量生产提供了可能。

大面积高效率空间用三结砷化镓太阳电池的研究

通过在电池中引入布拉格反射器,提高电池抗带电子辐照能力,经辐照后使电池最大功率平均衰减小于18%。优化上电极栅线结构,当金属栅线面积占电池面积的3.0%时,电池平均短路电流为456.2mA。优化TiO_x/AlO_x双层减反射膜结构,短波300~500nm范围内电池表面反射率小于30%。采用以上结构最终制备出面积为26.8cm^2的空间用三结砷化镓太阳电池,批产平均转换效率为29.61%,最大转换效率30.15%。

空间用三结砷化镓太阳电池激光划片技术研究

以空间用三结砷化镓太阳电池激光划片为研究对象,对激光光源、功率、脉冲频率、划片速度等参数进行试验研究。研究结果表明：选用功率4 W、频率120 k Hz的355 nm紫外激光光源,采用50 mm/s的切割速度,对三结砷化镓太阳电池有良好的划片效果,切割宽度约14μm、深度约195μm,为激光切割技术用于三结砷化镓太阳电池的批量生产提供可能。

三结砷化镓聚光太阳电池电学特性的研究与仿真

聚光太阳系统将多结太阳电池与聚光器组合在一起，具有较高转换效率。本文基于单二极管模型等效电路，建立三结聚光GaInP／GaLnAs／Ge叠层太阳电池的数学模型，研究不同聚光倍数下（200-1000X）电池的电学特性，并与实测值进行对比。结果表明：其开路电压、短路电流和电池功率随聚光比的逐步增大而增加，而电池效率随聚光比的升高呈先增后减趋势。实测值均小于理论值，计算误差随聚光比的增加而变大，最大计算误差不超过7．5％。

低轨三结砷化镓太阳电池阵遥测数据分析

针对采用三结砷化镓太阳电池阵作为主电源的低轨道卫星进行梳理,介绍了典型平台产品的技术状态。收集、整理了在轨运行时间最长的三结砷化镓太阳电池阵的在轨遥测数据,给出了其在轨温度变化曲线,分析了电性能输出及演化情况,为后续三结砷化镓太阳电池阵的应用提供了数据支持。

三结砷化镓太阳电池在中高轨道性能表现研究

对三颗在轨运行的中高轨道卫星的太阳电池阵发电电流数据进行了统计和处理,结合日地因子的变化评估了三结砷化镓太阳电池性能衰降情况,并通过曲线拟合的方法对后续直到寿命末期的性能衰降趋势进行了外推预测,表明太阳电池阵发电能力足够满足寿命末期功率需求。分析结果可作为后续三结砷化镓太阳电池阵设计参考,相关分析方法也可用于后续在轨卫星太阳电池阵性能评估。

三结砷化镓叠层太阳电池的光学匹配设计与分析

电流匹配是两端式多结叠层太阳电池设计中的关键和难点;同时,合理的吸收光谱分布将有利于电流匹配的获得。文章采用TFC光学薄膜仿真软件,模拟与分析了三结砷化镓太阳电池的多层减反射膜、顶电池窗口层和顶电池等功能层的吸收谱、反射谱和透射谱,以及对太阳电池吸收光谱的影响,结合太阳电池性能分析,得出了几何结构优化设计,可确保较好的电流匹配。

三结砷化镓叠层太阳电池中的宽带隙隧穿结研究

隧穿结是影响三结砷化镓叠层太阳电池性能的关键因素。从隧穿结导致三结电池性能曲线异常的问题出发,数学模拟了GaInP2微结构有序性对宽带隙AlGaAs/GaInP2隧穿结的影响。由此设计了合理的隧穿结,使三结砷化镓叠层太阳电池的性能得到改善。

32%效率三结砷化镓太阳电池设计与在轨应用

采用晶格小失配的GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓太阳电池结构,通过增加顶电池与中电池中In组分,选取带隙组合为1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV的结构体系,使顶、中电池光吸收下限分别红移15和40 nm左右,提高了三结砷化镓太阳电池的电流密度,提升了太阳电池光电转换效率,研制出平均光电转换效率为32%(AM0,25℃)的三结砷化镓太阳电池。该太阳电池已成功应用于PakTES-1A卫星太阳电池阵,入轨初期由其SG1与SG5子阵在轨电流数据计算对比地面同工况测试结果,差异仅为-0.2%和0.5%。产品可用于后续航天器高效率太阳电池阵。

聚光型三结砷化镓太阳电池的栅线设计

设计理想的太阳电池正面电极栅线图形,使高注入条件下的聚光太阳电池获得较高转换效率,是聚光太阳电池研制中的一个重要问题。文章从栅线的总相对功率损失理论出发,采用计算机模拟分析,获得聚光倍数与栅线尺寸及总相对功率损耗的关系;并给出了典型聚光倍数(即250倍、500倍、1 000倍)条件下的栅线优化设计。研究结果可为不同聚光倍数下太阳电池电极栅线的制作提供理论依据。

空间用三结砷化镓太阳电池的生产管理

介绍了三结砷化镓太阳电池的生产管理。通过以合理安排生产计划,做好生产线质量计划;分析不合格原因,提出改进措施;优化三结砷化镓太阳电池结构;采用SPC技术对生产过程进行分析和控制等途径,将三结砷化镓太阳电池成品率从72.6%提高为85%以上,三结砷化镓批产效率从平均光电转换效率为26.8%提高到28%以上,缩短工程型号所需的生产周期,提高了空间型号用太阳电池阵输出功率。

高轨卫星三结砷化镓太阳电池阵抗辐射设计

分析空间辐射效应对三结砷化镓(TJ-GaAs)太阳电池阵的影响,结合地面试验结果对太阳电池阵进行抗辐射设计,并在某倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星上进行验证。通过对在轨卫星5 a的遥测数据分析,得出太阳电池阵输出功率因辐射效应造成的衰减规律,最后与设计方案进行比较,有效验证了抗辐射设计的数学模型,可为其他中高轨道卫星太阳电池阵的设计提供参考。

三结砷化镓太阳电池-锂离子蓄电池的小卫星电源分系统仿真模型研究

目前,小卫星电源分系统大多采用太阳电池阵-蓄电池组的联合供电模式。三结砷化镓太阳电池凭借高转换率、高可靠性的优势,已广泛用作小卫星在光照区运行的唯一供电单元;锂离子蓄电池的长寿命、高能量密度特性,也使其逐步替代镉镍、氢镍电池作为小卫星的储能单元。文章通过分析某小卫星的三结砷化镓太阳电池、锂离子蓄电池组的数学模型和电源控制器的逻辑模型,结合在轨运行的温度、光照及衰减情况,建立电源分系统的SIMULINK仿真模型,得到仿真曲线,并将仿真数据与星上遥测数据对比。研究结果表明,在忽略入影、出影时太阳反照使得温度骤变的情况下,该小卫星的遥测值与模型的仿真结果相符,表明该仿真模型真实有效。

空间砷化镓太阳电池焊接一致性量化研究

空间砷化镓太阳电池采用焊接的方式将互连材料连到电池上以引出电极。目前国内空间砷化镓太阳电池的焊接普遍采用平行间隙电阻焊技术,互连材料采用纯银箔。通过实验,找出了银箔的不同厚度、不同硬度与抗拉强度和伸长率的关系以及相应的焊接质量,确定了在一定的焊接模式和焊接参数下保证焊接一致性良好的银箔量化参数。

高效四结砷化镓太阳电池设计与在轨性能分析

对一种新型反向生长工艺四结砷化镓太阳电池(IMM四结电池)开展了设计和在轨性能试验分析。该电池所用半导体材料的禁带宽度分别为1.9、1.4、1.0、0.7 eV,材料特性的变化改善了4个P-N结与AM0太阳光谱的匹配关系。文章介绍了该电池在提高光电转换效率方面的结构和工艺设计,通过实施在轨真实应用环境试验,全面系统获取四结砷化镓太阳电池在轨运行期间的遥测数据并进行分析处理,结果显示电池开路电压3.321 V,短路电流密度15.76 mA/cm2,实际在轨转换效率在34.44%～34.79%之间,各项关键性能指标相较于三结砷化镓太阳电池有大幅度提高。

可应用于四结砷化镓太阳电池的ZnS/MgF_2/SiO_2减反射膜的结构设计

在采用磁控溅射方法分别制备单层ZnS、MgF_2、SiO_2薄膜及表征其折射率基础上,以折射率逐渐减小的三层结构(HML结构)思想,采用TFC光学薄膜软件,设计并模拟了可用于四结砷化镓(GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs)太阳电池的三层ZnS/MgF_2/SiO_2减反射膜系.并分析模拟了窗口层厚度、各膜层厚度和折射率以及光入射角对有效反射率的影响.结果表明:窗口层厚度、SiO_2的折射率和ZnS膜层厚度对有效反射率R_e的影响最为显著;在350~1 800nm宽波段,当窗口层厚度为83nm,膜系厚度分别为57nm、37nm和88nm,且光入射角为0°时,有效反射率Re最小可达3.38%.

四结砷化镓太阳电池电路可靠性设计及验证技术研究

四结砷化镓太阳电池在半刚性太阳翼上应用,需要满足长寿命高可靠要求,文章针对新型太阳电池片在轨应用的空间环境适应性考核验证问题,开展了四结砷化镓太阳电池小板试验验证,对试验方案及数据结果进行了分析说明。通过对热、静电放电、辐照的分析及试验,结果表明:四结砷化镓太阳电池可以满足半刚性太阳翼长寿命高可靠应用的要求,相关试验验证情况将为后续四结砷化镓太阳电池在卫星半刚性太阳翼大范围的工程应用提供参考。

连续激光辐照对三结砷化镓电池散射光谱的特性影响

太阳能电池作为一种高效的光电转化器,被广泛地应用于光伏发电系统中。激光作为一种高亮度光源辐照电池时,会导致其出现损伤,可利用电池的表面散射光谱特性,对其损伤程度进行判别。通过目标表面散射光谱测量系统,对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量,并计算双向反射分布函数(BRDF)。其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成,针对电池表面的强镜反射特性,在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、顶电池GaInP层、中电池GaAs层和底电池Ge层,其散射光谱特征包括可见光谱段(500~900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900~1 200 nm)的类周期振荡特性,在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后,得到了损伤电池光谱BRDF的变化,并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型,对各膜层损伤后的特征进行了分析。结果表明:DAR层的主要作用是降低光谱反射能量,对光谱曲线的特性影响较小;Ge层对光谱曲线形状基本无影响;电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起,其中,GaInP层主要影响可见光谱段的吸收特性,并对近红外谱段内的干涉特性起到调制作用,而GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性,当其损伤到一定程度后,会导致可见光谱段内出现干涉特性。最后,在实验结果分析的基础上,通过模型研究了电池各层对散射光谱特性的影响,并讨论了基于散射光谱特性的电池损伤程度判别,研究结果可为电池激光损伤判别提供参考。

砷化镓基系Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的发展和应用(3)

在上世纪60年代，人们由GaAs材料的优良性质预见到，GaAs太阳电池能获得高的转换效率。但是初期用研制Si太阳电池的扩散p-n结方法来研制GaAs太阳电池并未获得成功。原因是GaAs材料的表面复活速率大，大部分光生载流子被表面复合中心复活，不能形成光生电流。