太陽電池陣作為航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而影響整個(gè)航天器的工作狀態(tài)[1-3]。太陽電池（三結(jié)砷化鎵太陽電池和鎵銦磷頂太陽電池）在軌運(yùn)行期間，會(huì)受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環(huán)境及誘導(dǎo)環(huán)境的影響[4-5]，其中污染與紫外協(xié)合對太陽電池的開路電壓和短路電流產(chǎn)生影響，從而造成性能下降。

污染物對太陽電池輸出功率的影響因素是蓋片上沉積的污染膜的吸附和反射造成的光遮蔽效應(yīng)，減少了到達(dá)太陽電池上的光照，使得輸出功率下降。紫外輻照對航天器污染效應(yīng)的影響的主要體現(xiàn)在導(dǎo)致污染分子撞擊到被污染表面時(shí)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，影響污染分子在被污染表面的凝結(jié)效率，已沉積在被污染表面上的污染膜在紫外輻射下還會(huì)發(fā)生定影、發(fā)黑現(xiàn)象，改變污染膜的光學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致污染膜對被污染表面效應(yīng)的增強(qiáng)。

1、試驗(yàn)及測試設(shè)備

太陽電池污染效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、材料放氣控制系統(tǒng)、污染量測試系統(tǒng)、太陽電池污染沉積控制系統(tǒng)組成。材料放氣控制系統(tǒng)包括放氣室、材料溫度控制系統(tǒng)；污染量測試系統(tǒng)由石英晶體微量天平及其測控系統(tǒng)組成，太陽電池污染沉積控制系統(tǒng)包括沉積平臺(tái)和太陽電池片安裝機(jī)構(gòu)。放氣材料選用星用非金屬材料，置于放氣室內(nèi)，加熱放氣可凝揮發(fā)物沉積在太陽電池片和石英晶體微量天平，其中太陽電池片和石英晶體微量天平放置在同一水平面上，石英晶體微量天平用來測量污染物沉積量。

太陽電池污染與紫外效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備在真空、溫度試驗(yàn)設(shè)備上增加一套紫外輻照系統(tǒng)。紫外輻照系統(tǒng)采用氘燈作為光源，其波段為115～200 nm。

試驗(yàn)設(shè)備見圖1所示。在太陽電池污染效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，切斷氘燈電源，使其處于不工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下：

1）真空容器真空度：優(yōu)于7.0×10-3Pa；

2）材料放氣控制系統(tǒng)溫度控制精度：優(yōu)于0.5 K；

3）污染量靈敏度：優(yōu)于2×10-9g/（cm2·Hz）。

太陽電池性能測試系統(tǒng)采用太陽模擬器和數(shù)字表。通過太陽電池性能測試裝置（見圖2）測量太陽電池取樣電阻電壓在實(shí)驗(yàn)前后的變化。太陽模擬器的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)如下：

1）輻照度：1個(gè)太陽常數(shù)；

2）光斑均勻區(qū)范圍：不小于樣品尺寸。

2、試驗(yàn)程序

圖1溫度、真空與紫外輻照試驗(yàn)設(shè)備示意圖

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作內(nèi)容如下：

1）對真空容器內(nèi)部及外部進(jìn)行清潔；

2）試驗(yàn)前檢查，調(diào)試各臺(tái)儀器設(shè)備，保證其能正常工作；

3）進(jìn)行空載試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)確認(rèn)；

4）測量并記錄試驗(yàn)前太陽電池片的取樣電阻電壓；

5）根據(jù)任務(wù)書確定試驗(yàn)時(shí)間、材料加熱溫度、沉積板溫度、沉積量限定值。

2.2試驗(yàn)過程

2.2.1太陽電池污染效應(yīng)試驗(yàn)

太陽電池污染效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)。

2）將石英晶體微量天平與太陽電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽電池在平面中心附近對稱放置。

圖2太陽電池性能測試裝置示意圖

3）通電，啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)，開啟熱偶計(jì)，啟動(dòng)機(jī)械泵，打開粗抽閥，抽真空室。

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級(jí)抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動(dòng)分子泵。

5）分子泵正常后，且熱偶計(jì)到0.1 P后，開啟電離計(jì)。真空度達(dá)到試驗(yàn)要求后，進(jìn)入試驗(yàn)工況程序。

6）試驗(yàn)開始后，用加熱片對樣品室進(jìn)行加熱到125℃，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達(dá)某一量級(jí)時(shí)，進(jìn)入設(shè)備關(guān)機(jī)工況。

7）設(shè)備關(guān)機(jī)：關(guān)閉電離計(jì)和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機(jī)械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計(jì)、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)束。

2.2.2太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)

太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)試驗(yàn)過程如下：

1）將非金屬材料稱重量后放入無蓋樣品瓶，放置在材料放氣控制系統(tǒng)的放氣室內(nèi)；

2）將石英晶體微量天平與太陽電池片放置在同一沉積平面上，天平晶片與太陽電池表面水平高度一致，平面水平放置，天平與太陽電池在平面中心附近對稱放置；

3）通電，啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)，開啟熱偶計(jì)；啟動(dòng)機(jī)械泵；打開粗抽閥，抽真空室；

4）真空到5 Pa后，關(guān)閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級(jí)抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動(dòng)分子泵；

5）分子泵正常后，且熱偶計(jì)到0.1 P后，開啟電離計(jì)。真空度達(dá)到試驗(yàn)要求后（根據(jù)要求，可啟動(dòng)液氮系統(tǒng)），進(jìn)入試驗(yàn)工況程序（注意檢查循環(huán)水系統(tǒng)）；

6）試驗(yàn)開始后，用加熱片對樣品室進(jìn)行加熱到125℃，打開紫外輻照系統(tǒng)電源，對太陽電池進(jìn)行輻照。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達(dá)某一量級(jí)時(shí)（根據(jù)任務(wù)書要求設(shè)置三組不同的污染量），進(jìn)入設(shè)備關(guān)機(jī)工況。

7）設(shè)備關(guān)機(jī)：關(guān)閉電離計(jì)和閘板閥；停分子泵；關(guān)閉電磁閥；關(guān)閉機(jī)械泵；10 min后關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)；關(guān)閉熱偶計(jì)、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)束。

2.3試驗(yàn)后測試

試驗(yàn)后測試過程如下：

1）打開太陽模擬器電源，預(yù)熱10 min；

2）將試驗(yàn)后的太陽電池片放置在太陽電池性能測試平臺(tái)上；

3）用數(shù)字表測量太陽電池取樣電阻兩端的取樣電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1概述

太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理是為了得到污染沉積量/紫外輻照和太陽電池性能變化之間的關(guān)系。因此數(shù)據(jù)處理包括兩部分內(nèi)容：污染沉積量的數(shù)據(jù)處理和太陽電池取樣電阻電壓變化率的數(shù)據(jù)處理。

3.2沉積污染量計(jì)算

污染沉積量計(jì)算公式為：

式中，m—太陽電池片上的污染沉積量，g/cm2；

δ—石英晶體傳感因子，對20 MHz石英晶片δ值為1.1×10-9g/（cm2.Hz）；

ff—石英晶體微量天平最終頻率，Hz；

fi—石英晶體微量天平初始頻率，Hz。

3.3取樣電阻電壓變化率計(jì)算

太陽電池取樣電阻電壓變化率計(jì)算公式為：

式中，ΔVR—取樣電阻電壓變化率，%；

VR0—試驗(yàn)前太陽電池片取樣電阻電壓值，V；

VR1——試驗(yàn)后太陽電池片取樣電阻電壓值，V。

4結(jié)束語

隨著長壽命高可靠航天器的發(fā)展，對航天器設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求。本文提出的太陽電池污染與紫外協(xié)合效應(yīng)試驗(yàn)方法可以為航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，減少設(shè)計(jì)余量，降低設(shè)計(jì)成本。