太陽電池陣作為航天器電源系統的關鍵組件之一，其性能衰變將直接影響電源系統工作狀態，從而影響整個航天器的工作狀態[1-3]。太陽電池（三結砷化鎵太陽電池和鎵銦磷頂太陽電池）在軌運行期間，會受到紫外輻照、原子氧、碎片、等離子體、溫度和污染等多種空間環境及誘導環境的影響[4-5]，其中污染與紫外協合對太陽電池的開路電壓和短路電流產生影響，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，減少了到達太陽電池上的光照，使得輸出功率下降。紫外輻照對航天器污染效應的影響的主要體現在導致污染分子撞擊到被污染表面時發生光化學反應，影響污染分子在被污染表面的凝結效率，已沉積在被污染表面上的污染膜在紫外輻射下還會發生定影、發黑現象，改變污染膜的光學性質，導致污染膜對被污染表面效應的增強。

1、試驗及測試設備

太陽電池污染效應試驗設備主要由真空系統、材料放氣控制系統、污染量測試系統、太陽電池污染沉積控制系統組成。材料放氣控制系統包括放氣室、材料溫度控制系統；污染量測試系統由石英晶體微量天平及其測控系統組成，太陽電池污染沉積控制系統包括沉積平臺和太陽電池片安裝機構。放氣材料選用星用非金屬材料，置于放氣室內，加熱放氣可凝揮發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試驗設備在真空、溫度試驗設備上增加一套紫外輻照系統。紫外輻照系統采用氘燈作為光源，其波段為115～200 nm。

試驗設備見圖1所示。在太陽電池污染效應試驗時，切斷氘燈電源，使其處于不工作狀態。

實驗設備技術指標如下：

1）真空容器真空度：優于7.0×10-3Pa；

2）材料放氣控制系統溫度控制精度：優于0.5 K；

3）污染量靈敏度：優于2×10-9g/（cm2·Hz）。

太陽電池性能測試系統采用太陽模擬器和數字表。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驗前后的變化。太陽模擬器的主要技術參數和指標如下：

1）輻照度：1個太陽常數；

2）光斑均勻區范圍：不小于樣品尺寸。

2、試驗程序

圖1溫度、真空與紫外輻照試驗設備示意圖

2.1試驗準備

試驗準備工作內容如下：

1）對真空容器內部及外部進行清潔；

2）試驗前檢查，調試各臺儀器設備，保證其能正常工作；

3）進行空載試驗，試驗狀態確認；

4）測量并記錄試驗前太陽電池片的取樣電阻電壓；

5）根據任務書確定試驗時間、材料加熱溫度、沉積板溫度、沉積量限定值。

2.2試驗過程

2.2.1太陽電池污染效應試驗

太陽電池污染效應試驗，試驗過程如下：

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的放氣室內。

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，啟動循環水系統，開啟熱偶計，啟動機械泵，打開粗抽閥，抽真空室。

4）真空到5 Pa后，關閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動分子泵。

5）分子泵正常后，且熱偶計到0.1 P后，開啟電離計。真空度達到試驗要求后，進入試驗工況程序。

6）試驗開始后，用加熱片對樣品室進行加熱到125℃，同時實時監控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達某一量級時，進入設備關機工況。

7）設備關機：關閉電離計和閘板閥；停分子泵；關閉電磁閥；關閉機械泵；10 min后關閉循環水系統；關閉熱偶計、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染效應試驗結束。

2.2.2太陽電池污染與紫外協合效應試驗

太陽電池污染與紫外協合效應試驗試驗過程如下：

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的放氣室內；

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，啟動循環水系統，開啟熱偶計；啟動機械泵；打開粗抽閥，抽真空室；

4）真空到5 Pa后，關閉粗抽閥，打開電磁閥抽分子泵；分子泵前級抽到5 Pa后，打開閘板閥；容器再抽到5 Pa后，啟動分子泵；

5）分子泵正常后，且熱偶計到0.1 P后，開啟電離計。真空度達到試驗要求后（根據要求，可啟動液氮系統），進入試驗工況程序（注意檢查循環水系統）；

6）試驗開始后，用加熱片對樣品室進行加熱到125℃，打開紫外輻照系統電源，對太陽電池進行輻照。同時實時監控模擬污染物沉積階段的天平頻率，到達某一量級時（根據任務書要求設置三組不同的污染量），進入設備關機工況。

7）設備關機：關閉電離計和閘板閥；停分子泵；關閉電磁閥；關閉機械泵；10 min后關閉循環水系統；關閉熱偶計、斷電。

8）取出太陽電池片，太陽電池污染與紫外協合效應試驗試驗結束。

2.3試驗后測試

試驗后測試過程如下：

1）打開太陽模擬器電源，預熱10 min；

2）將試驗后的太陽電池片放置在太陽電池性能測試平臺上；

3）用數字表測量太陽電池取樣電阻兩端的取樣電壓，并記錄數據。

3、試驗數據處理

3.1概述

太陽電池污染與紫外協合效應試驗的數據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系。因此數據處理包括兩部分內容：污染沉積量的數據處理和太陽電池取樣電阻電壓變化率的數據處理。

3.2沉積污染量計算

污染沉積量計算公式為：

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算

太陽電池取樣電阻電壓變化率計算公式為：

式中，ΔVR—取樣電阻電壓變化率，%；

VR0—試驗前太陽電池片取樣電阻電壓值，V；

VR1——試驗后太陽電池片取樣電阻電壓值，V。

4結束語

隨著長壽命高可靠航天器的發展，對航天器設計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合效應試驗方法可以為航天器電源系統設計提供參考，減少設計余量，降低設計成本。