高轨航天器半刚性四结砷化镓太阳电池板静电放电试验研究

1 引言

随着航天科技的进步，我国空间应用技术飞速发展，航天器对能量的需求不断增长。太阳电池阵作为航天器最重要的能量来源，为满足能量需求，大功率、高电压将成为其未来发展的重要方向 [1]。目前，在 GEO 轨道，工作在 100V 的高压太阳电池阵已被普遍采用，而GEO 轨道复杂的空间环境也给新型太阳电池阵的研发带来了严酷的挑战。

在 GEO 轨道，在太阳风的作用下会导致地球磁层的扰动，产生地磁亚暴现象。在地磁亚暴的作用下，航天器被浸泡在高能等离子体环境中。通常情况下，等离子体环境中的正电荷和负电荷的数量相等且动能相当。由于电子质量轻，其平均速度远大于正电荷的速度，因此当航天器运行于等离子环境中，其裸露的太阳电池阵表面与等离子直接相互作用，主要表现为电子对其表面的充电效应，这使得太阳电池阵的充电电位可达负的数千伏[2]。

当太阳电池阵处于光照期间，光子作用于太阳电池玻璃盖片表面，可产生光发射电子；同时，等离子体中电子的撞击作用也会导致玻璃盖片产生二次发射电子，由于玻璃盖片的二次电子发射系数较大，会导致玻璃盖片的电势相对升高 [2]。另一方面，太阳电池阵中不同材料表面因自身特性捕获电子的能力也存在差异，这也会导致太阳电池阵的不同区域产生电势差 [3]。当太阳电池阵中不同材料表面形成显著的电势差，会导致一次放电现象的发生。对于太阳电池阵，一次放电产生的瞬态脉冲电流，可能会引发依靠太阳电池阵自身供能的二次放电现象的产生。相比于一次放电，二次放电现象持续时间长，且破坏力显著，可能会导致太阳电池阵基板材料热解碳化，太阳电池性能丧失，从而产生局部短路，更有甚者引发太阳电池阵失效[4]。同时，二次放电现象产生的瞬态脉冲电流还可能直接或者通过耦合的方式对航天器敏感电子单元造成干扰，从而影响航天器的运行安全。在上个世纪末期，静电放电现象引发航天器故障的问题引起了工程技术人员的严重关注，劳拉空间系统公司的4 颗卫星由于静电放电引发的故障，导致太阳电池阵输出功率减少 20% 以上，造成卫星功率裕度大幅度降低 [5]。因此，为提高航天器太阳电池阵的可靠性，开展静电放电现象研究和分析至关重要。

近些年来，半刚性太阳电池阵开始应用于 GEO 轨道航天器。一般情况下，半刚性太阳电池阵采用玻璃纤维构建网格结构作为承载基底，太阳电池电路通过固定结构安装于玻璃纤维网格之上。基于这种设计，半刚性太阳电池阵与刚性太阳电池阵相比，具有重量轻、收拢体积小、散热性好等特点。这种设计也使得半刚性太阳电池阵电路的正面和背面均直接暴露于空间等离子体环境中。

同时，随着空间用太阳电池技术的研发，四结砷化镓太阳电池技术逐渐成熟，与目前普遍应用的三结砷化镓太阳电池相比，其能带匹配性更好，光电转换效率更高，更加适用于大功率太阳电池阵的发展，有利于太阳电池阵面积比功率的提升和太阳电池阵收纳空间的缩小[6]。鉴于此，本文模拟GEO 轨道等离子体环境，研制了半刚性基板四结砷化镓太阳电池板试件，对其静电放电特性进行研究，为未来四结半刚性太阳电池阵研制提供数据参考。

2 静电放电试验

2.1 静电放电试验装置

本试验采取电子辐照试验方法，模拟太阳电池阵 GEO 轨道等离子体环境，诱发静电放电现象发生。在试验中，采用的试验装置如图1 所示，半刚性四结砷化镓太阳电池板试件置于于真空罐内，真空罐的真空度优于 8.0×10^-4Pa ，试件与真空罐结构地隔离；利用电子枪产生电子束流辐照试件表面，电子能量为 0-50KeV 可调，电子束流密度为 0⋅10nA/cm² 可调；在电子辐照的环境下，试件表面不同材料之间充电速率不同，从而产生电势差，引发一次放电，利用一次放电诱导二次放电事件发生；试验装置中的电位计用于测量试件表面各个位置的表面电势，采用法拉第杯和静电计测量电子束流密度，通过示波器采集试件放电波形。

图1 试验装置示意图

试验中，采用的电路如图2 所示，其中：R 为回路负载电阻；Ⅰ、Ⅱ为电流探头，用来监测放电脉冲；C 太阳电池阵对地模拟电容；P为模拟电源，可为太阳电池板试件串间提供模拟工作电压 0～200V 。

图2 试验电路示意图

2.2 静电放电试件

该试验投入太阳电池板试件共 1 件，试件采用 6 片四结砷化镓太阳电池，形成 2 并 3 串的电路结构，固定在半刚性基板上，电池尺寸为 80mm×80mm ，串间间距为 2mm 。电路布局和实物如图3 所示。

（a）试件电路结构正面示意图

（b）试件电路结构截面示意图

（c）试件实物图正面

（d）试件实物图背面

图3 试件结构及实物图

2.3 静电放电试验条件

为验证太阳电池板试件静电放电能力，对试件正面和背面分别进行静电放电试验，电子能量设置为 14keV ，电子束流设置为 1.0nA/ cm² 和 2.0nA/cm^2[3] ，该试验条件远恶劣于 GEO 轨道地磁亚爆等离子体环境。

3 试验结果及分析

3.1 四结砷化镓太阳电池板试件正面静电放电试验结果及分析

3.1.1 试件正面静电放电试验结果（1）试验条件：电子束流 1.0nA/cm² ， 电子能量 14keV

在试验中，将试验样品与试验设备绝缘安装于真空罐内，正面朝向电子枪模拟源，调节模拟源的电子能量和束流密度分别为 14KeV 和 1.0nA/cm2 。在模拟源的作用下，试件正面充电。利用非接触式电位计测量太阳电池板试件正面电位，测量位置如图 4 所示，测试结果如表1 所示。采用示波器监测并记录样品表面放电现象。

图4 太阳电池板试件正面电位测量位置

表1 太阳电池板试件正面电位测量结果（1.0 nA/cm2， 14keV ）

试验过程中，模拟电源为电池板试件串间提供不同的电压差，电压差值从 50V 开始，每隔 10 分钟增加 10V，直至最高串间工作电压为 200V 。在一定的串间电压差值下，记录样品表面每 10 分钟发生的一次放电和二次放电的次数，具体结果见表2。

表 2 太阳电池板试件正面发生一次放电和二次放电的次数（1.0nA/cm2， 14 keV）

同时，在放电过程中，示波器记录典型放电波形如图 5 所示，电流探头I 记录电流值为 4.40A 。

图5 太阳电池板试件正面典型放电波形（ 1.0nA/cm² ， 14keV ）

（2）试验条件：电子束流 2.0nA/cm² ， 电子能量 14keV

随着试验的进行，将模拟源的电子能量和束流密度调节为 14KeV 和 2.0nA/cm² 。在模拟源的作用下，试件正面充电更加显著。利用非接触式电位计测量太阳电池板试件如图4 所示位置，测试结果见表3，采用示波器监测并记录样品表面放电现象。

表3 太阳电池板试件正面电位测量结果（ 2.0nA/cm²，14keV）

试验中，电池串间电压差值从 50V 开始，每隔 10 分钟增加 10V，直至最高串间工作电压为 200V ，记录样品表面每 10 分钟发生的一次放电和二次放电的次数，具体结果见表4。

表 4 太阳电池板试件正面发生一次放电和二次放电的次数（2.0nA/cm² ， 14keV ）

在放电过程中，示波器记录的典型放电波形如图6 所示，电流探头I 记录电流值为 5.12A， 。

图6 太阳电池板试件正面典型放电波形（ 2.0nA/cm² ， 14keV ）

3.1.2 试件正面静电放电试验结果分析

由表 1 和表 3 中的数据可知，太阳电池板试件正面中的玻璃盖片和框架在相同粒子环境下充电至不同电位，产生电势差；相比之下玻璃盖片 A、玻璃盖片 B 和玻璃盖片 C 的充电电势基本相同；说明在相同粒子环境中，太阳电池电路中不同部位的充电电势与物体材料相关。

图7 太阳电池板试件不同电子束流下表面电势对比图

对比表 1 和表 3 中的数据，如图 7 所示，随着电子束流的增加，玻璃盖片和框架的表面电势显著增大，说明太阳电池试件正面电势与电子浓度正向相关。同时，分析表 1 和表 3 中的数据发现，随着电子束流由 1.0nA/cm² 增加至 2.0nA/cm² 时，框架和玻璃盖片之间最大的电势差由 1460V 增长至 1720V 。此外，对比图 5 和图 6 发现，随着电子束流的增加，其一次放电的电流也显著增大。说明随着电子浓度的增加，太阳电池板试件正面不同物体表面的充电电势差增大，一次放电释放的能量也随之增加。

与此同时，对比分析表 2 和表 4 中的数据发现，随着电子束流的增加，太阳电池板正面发生一次放电的次数显著增加，说明随着太阳电池板试件中不同部分电势差的增加，会增大一次放电发生的概率。同时，依据表 2 和表 4 中的试验结果，本文设计的太阳电池板试件正面在试验中均未发生二次放电现象，说明该试件正面具有良好的抗静电放电能力。

3.2 四结砷化镓太阳电池板试件背面静电放电试验结果及分析

3.2.1 试件背面静电放电试验结果

（1）试验条件：电子束流 1.0nA/cm² ， 电子能量 14keV

在试验中，试验样品背面朝向模拟源，电子能量和束流密度分别为 14KeV 和 1.0nA/cm² 。在模拟源的作用下，试件背面充电。测量太阳电池板试件背面电位，测量位置见图 8，测试结果见表 5， 监测并记录样品表面放电现象。

图8 太阳电池板试件背面电位测量位置

表5 太阳电池板试件背面电位测量结果（ 1.0nA/cm2，14keV）

在试验过程中，电池串间电压差从 50V 开始，每隔 10 分钟增加10V，直至最高串间工作电压为 200V ，记录样品表面每 10 分钟发生的一次放电和二次放电的次数，具体结果见表 6

表 6 太阳电池板试件背面发生一次放电和二次放电的次数（1.0nA/cm²，14keV ）

同时，在放电过程中，记录典型放电波形如图 9 所示，电流探头I 记录电流值为 1.80A 。

图 9 太阳电池板试件背面面典型放电波形（ 1.0nA/cm²，14keV ）（2）试验条件：电子束流 2.0nA/cm² ， 电子能量 14keV

在试验中，试验样品背面朝向模拟源，电子能量和束流密度分别调节为 14KeV 和 2.0nA/cm² 。在模拟源的作用下，试件背面充电加剧。测试如图 8 所示试件不同位置电位值，具体结果见表 7，并记录样品表面放电现象。

表7 太阳电池板试件背面电位测量结果（ 2.0nA/cm²，14keV ）

试验过程中，电池串间电压差从 50V 开始，每隔 10 分钟增加10V，直至最高串间工作电压为 200V ，记录一次放电和二次放电的次数，具体结果见表8。

表 8 太阳电池板试件背面发生一次放电和二次放电的次数（2.0nA/cm²，14keV ）

同时，在放电过程中，记录典型放电波形如图 10 所示，电流探头I 记录电流值为 2.62A 。

图10 太阳电池板试件背面典型放电波形（ 2.0nA/cm²，14keV ）

3.2.2 试件背面静电放电试验结果分析

由表 5 和表 7 中的数据可知，太阳电池板背面的玻璃盖片、胶粘剂、框架以及金属条在相同粒子环境中，充电至不同电位，且最大电势差出现在框架与金属条之间，当电子束流为 1.0nA/cm² 和 2.0nA cm² 时，最大电势差分别为2120V和 2320V 。对比表5和表7中的数据，如图11 所示，随着电子束流的增加，太阳电池板试件背面各部分材料表面电势显著增加。说明太阳电池板试件背面电势与电势差均与环境中的电子浓度成正相关。

同时，分析表 6 和表 8 中的数据，以及图 9 和图 10 可知，随着电子束流的增加，试件发生一次放电的次数和放电电流均显著增加。说明随着充电电势差的增强，试件表面发生一次放电的概率和释放的能量均明显提高。然而，依据表 6 和表 8 中的数据可知，该试件背面在试验中均未发生二次放电现象，说明该太阳电池板的背面设计具有良好的静电放电防护能力。

4 结论

本文针对地球静止轨道航天器太阳电池阵处于地磁亚爆产生的恶劣等离子环境，采用电子辐照的试验方法，对制备的半刚性四结砷化镓太阳电池板试件开展了静电放电试验，对其静电放电防护能力进行了评估。试验结果表明，太阳电池板试件表面各部分的充电电势与材料相关，不同材料间的电势差与环境中的电子浓度正相关，当电子浓度增大时，其发生一次放电的概率和放电电流均显著增大。在试验中，本文设计的试件正面和背面均未发生二次放电现象，说明该设计具有良好的静电放电防护能力。上述试验结果可为地球同步轨道半刚性太阳电池阵设计提供数据参考。

参考文献

[1] 陈益峰 ， 柳青 ， 杨生胜等 . 低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验 [J]. 宇航学报 ，2017 38（5）：550-554

[2] 崔新宇 ， 孙彦铮 ， 王远征等 . 高压大功率太阳电池阵防静电措施评价试验 [J]. 电源技术 ，2004 28（10）：644-648

[3] 柳青 ， 李存慧 ， 秦晓刚等 . 高压砷化镓太阳电池阵在地球同步轨道环境下的二次放电现象 [J]. 高电压技术 ，2017 43（8）：2614-2619

[4] 张帆 ， 葛圣胤 ， 刘智 . 空间高轨高压太阳电池阵静电防护技术研究 [J]. 装备环境工程 ，2018 15（7）：55-60

[5] 李凯 ， 王立 ， 秦晓刚等 . 地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究 [J]. 航天器环境工程 ，2008 25（2）：125-128

[6] 李大正 ， 李雅琳 ， 李朝阳等 . 四结砷化镓太阳电池电路可靠性设计及验证技术研究 [J]. 航天器工程 ，2022 31（1）：145-150