高效四结砷化镓太阳电池设计与在轨性能分析

张晓鹏，庄海孝，曹 燕，左 苗，张香燕，王巍巍，周进锋

（1.北京空间飞行器总体设计部； 2.北京卫星环境工程研究所； 3.北京卫星制造厂有限公司：北京 100094）

0 引言

电源系统作为航天器能量来源，是航天器运行可靠性及寿命的主要影响因素。三结砷化镓太阳电池是目前空间最常用的太阳电池。自20世纪90年代以来，以GaAs为代表的III-V族化合物半导体太阳电池成为光伏太阳电池领域中最活跃、最富成果的电池种类[1]。

得益于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术的应用，对GaInP宽带隙和InGaAs窄带隙材料体系的深入研究，以及晶格失配外延和反向生长等技术的发展，III-V族化合物半导体太阳电池的转换效率有了很大的提高[2]；以空间应用为目标，采用反向生长多结（inverted metamorphic multi-junction,IMM）生长加衬底剥离技术制备的四结叠层电池逐渐受到重视。要实现该新型太阳电池系统在空间环境下的应用，首先需要通过在轨实验来获取其在轨测试数据，用来修正地面测试结果；同时，也要充分验证新材料、新工艺、新方法的空间适用性[3]；并在实验数据分析结果的基础上，进一步优化和完善地面环境模拟的方法和手段，从而能够更好地指导材料的选型和空间应用。

本文主要介绍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）开展在轨应用验证的工作。此项工作属国内首次，以期通过验证IMM四结砷化镓太阳电池的设计和在轨性能，证实四结太阳电池的效率优势，积极推进其后续在轨工程应用。

1 高效四结叠层电池系统设计

1.1 结构设计

本文介绍并开展在轨实际环境飞行试验验证的高效四结叠层太阳电池的结构和物理模型[4-5]如图1所示。IMM四结太阳电池由4个P-N结串联而成，这4个结所用半导体材料的禁带宽度分别为1.9、1.4、1.0、0.7 eV。采用这几种能量带隙材料的太阳电池能较充分地将太阳光中350～1800 nm波长范围的光谱能量转化为电能[6]。

由于材料特性的变化改善了4个子电池对太阳光谱的吸收与太阳光谱匹配，四结太阳电池的光电转换效率均能达到34%[5]以上，相较于三结砷化镓太阳电池有较大提升。图2所示为本文介绍的四结太阳电池的结构。

图2 四结太阳电池的结构示意Fig.2 Schematic diagram of the quadruple-junction array structure

为了获得高效率的太阳电池，必须采用高电导率、高隧穿电流的隧穿结，因此需要增大隧穿结的掺杂浓度，并且解决由于高掺杂所带来的一系列工艺问题[7]。在倒装高掺杂的情况下，掺杂剂扩散问题较突出，因此需根据太阳电池的实际情况选用合适的隧穿结，从隧穿结掺杂、厚度和材料等方面对电池性能的影响进行综合分析，用MOCVD设备进行倒装多结III-V族半导体化合物太阳电池隧穿结的外延优化。

1.2 工艺设计

禁带宽度为1.9、1.4、1.0、0.7 eV的4种半导体材料，其晶格常数有所差异，因此生长结构时采用反向生长工艺，外延生长完成后，在器件工艺中需要采用键合、剥离等工艺将外延结构倒置，才能实现四结太阳电池的功能。其键合、剥离过程如图3所示[8]。

图3 四结太阳电池键合、剥离过程示意Fig.3 Schematic diagram of the bonding and stripping process of the quadruple-junction array

与现有的空间用三结砷化镓太阳电池相比，四结太阳电池采用了晶格失配材料（1.0 eV InGaAs和0.7 eV InGaAs），工艺实现上采用了如图4所示的晶格失配反向外延生长、键合、剥离等新工艺[9]。与正向生长砷化镓太阳电池相比，IMM四结太阳电池由于采用了光谱匹配设计，地面模拟光谱（AM0）条件下光电转换效率获得了10%左右的提升，但存在衬底剥离复用、键合工艺复杂、工序增加等成本因素[10]。

图4 反向生长四结太阳电池工艺流程Fig.4 Flow chart of the process of IMM quadruple-junction array

2 试验对象及测试系统

本文所介绍的IMM四结砷化镓电池在轨环境试验系统实物如图5所示，电池的布片方案如表1所示。试验系统由1个新型太阳电池试验件（含多个太阳电池单片）和1台太阳电池数据采集器组成。太阳电池数据采集器在不同轨道光照条件下，对新型太阳电池进行电性能测试和数据采集，以完成在轨电性能标定和实时的温度监测。

图5 在轨试验系统实物Fig.5 Physical diagram of the in-orbit test system

IMM四结砷化镓电池在轨环境试验系统的原理如图6所示，系统测试电路由2组具有完整四结结构的整电池和4组单结子电池组成，另有1个太阳入射角监测电路。其中，电路1为电压采样，直接测量电池开路电压；电路2～电路6均为电流采样，通过接入1个采样电阻，测量电阻两端电压，以确定电池的输出电流；电路7为参考电路，由16片Si太阳电池组成，用于对比太阳入射角变化、电池辐照衰降等对电池性能的影响，是后续数据处理的依据。

图6 高效四结砷化镓太阳电池试验系统原理示意Fig.6 Schematic diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array test system

图7所示为高效四结砷化镓太阳电池搭载试验测试电路框图，其中所有的遥测参数都由太阳电池试验件模块产生，所有的遥测信号都通过导线输送到太阳电池数据采集器内，由采集器对各遥测信号进行调理后，统一变换成0～5 V电压信号送入A/D转换器进行采集。

图7 高效四结砷化镓太阳电池试验系统测试电路Fig.7 Circuit diagram of test system for high conversion efficiency quadruple-junction array

系统需要采集的太阳电池片关键电性能参数主要包括短路电流、开路电压、工作电压及太阳电池的温度。参数的获取方法如下：

1）短路电流：通过太阳电池片外接1个0.1 Ω的功率电阻来测量并近似推算获得；

2）开路电压：通过太阳电池片外接1个10 kΩ的功率电阻来测量并近似推算获得；

3）工作电压：通过太阳电池片外接1个10 Ω的功率电阻来测量并近似推算获得；

4）电池温度：通过在太阳电池片的背面粘贴热敏电阻的方法来获得，热敏电阻两端的温度电压信号通过导线引入星内的太阳电池数据采集器。

3 入轨试验前的地面测试

在入轨前的地面测试阶段，对IMM四结砷化镓电池进行了热真空试验、力学试验。在电池装星后，力学试验前后均利用地面模拟光源进行了光照试验。结果表明，力学试验前后各电路遥测通路均正常，数据一致性较好。且力学试验后，试件状态无变化，产品通过了力学试验的考核。

在IMM四结砷化镓电池片粘贴在基板上后，采样电阻焊接前，测试了各电路的I-V曲线，获得了如表2所示的典型参数。采样电阻焊接后，采用太阳模拟器LAPSS II为组件提供光源，在AM0、25 ℃、1353 W/m2测试条件下，使用尼高力数据采集器测量各电路对应电阻两端的电压值，电压测量值与理论计算值间的相对偏差＜4%，一致性良好。电池片布片、测试系统电路、采样间隔均与在轨试验设置相同。

表2 太阳电池片地面测试电路电性能参数Table 2 Electrical performance parameters of solar cell in ground test

4 在轨试验过程及结果分析

4.1 试验数据获取

在轨试验期间，高效四结砷化镓太阳电池组件所在的位置在受到太阳光照射的时段内，入射角度为变化值（见图8），测得整电池电流的输出如图9所示。其中图9的横坐标是高效四结砷化镓太阳电池组件在太阳光1个照射周期内的累计光照时长。

图8 IMM四结砷化镓电池1天内太阳入射角度变化Fig.8 Solar incident angle with respect to the IMM quadruple-junction array in a day

图9 IMM四结砷化镓电池1天内整电池电流变化趋势Fig.9 Current variation of IMM quadruple-junction array in a day

为确保测试精度，避免入射角度对测试结果的影响，选择太阳入射角在±30°范围内的在轨测试数据为有效数据。为减小温度测试误差对试验结果的影响，用于在轨遥测结果分析的数据需在温度一致性较好的时间段内选择数据点，来计算高效四结砷化镓太阳电池的在轨性能。本文提供了IMM四结砷化镓电池在2016年11月29日—2016年12月2日期间每天获取的电池遥测电压、电池温度、太阳入射角等有效数据，参见表3。

表3 四结砷化镓电池在轨遥测数据Table 3 Telemetric data of IMM quadruple-junction array

4.2 在轨试验数据处理方法

为获得高效四结砷化镓太阳电池的在轨输出电压和输出电流，在本试验系统上还搭载了电压、电流遥测2种测试电路。在轨数据处理方法如下：

电压数据计算公式为

其中：V25 ℃为单体太阳电池在25 ℃温度下的开路电压；VPC-1为完整四结结构的整电池开路电压采样值；β为电压温度系数；T为太阳电池在轨实测温度，℃。

电流数据计算公式为

式中：I25 ℃为单体太阳电池在25 ℃温度下的短路电流；VPC-2为电路2电压遥测结果；α为电流温度系数；θ为太阳入射光相对太阳电池板的入射角。θ可以根据太阳入射角监测电路的在轨数据进一步计算获得，

其余各子电池的电流数据可按照式(2)计算获得。

4.3 在轨测量结果分析

根据表1和表3中的在轨遥测数据和电池温度系数，利用式(1)～(3)即可计算出高效四结砷化镓电池在25 ℃时的开路电压、短路电流及各子电池电流，再对太阳电池片在轨光电转换效率进行计算获得其在轨性能数据，并与地面实测结果（参表2）进行对比，分析其差异性，结果详见表4。

表4 四结砷化镓电池在轨与地面电性能数据比对Table 4 Comparison of in-orbit and ground electrical performances of IMM quadruple-junction array

在轨遥测数据分析结果表明：IMM四结砷化镓电池的在轨光电转换效率为34.44%～34.79%，满足不小于34%的技术指标要求；电池开路电压3.321 V、短路电流密度15.76 mA/cm2，满足技术指标要求；利用硅电池参数和式(1)～式(3)计算出的太阳入射角度与整星姿态推算出的角度相吻合，太阳入射角范围在21.801°～22.495°之间，满足太阳入射角在±30°范围内的要求。各参数遥测数据与地面测试数据一致性较好，在轨标定总误差最大为1.45%（电压遥测误差+温度系数标准误差+对日定向最大误差+线路压降误差），满足小于2%的指标要求。

5 结束语

本文介绍了空间用高效四结砷化镓太阳电池的物理模型与结构，对其设计方法、工艺流程，以及在轨真实环境下的验证方案与测试电路设计、遥测数据分析处理方法也都给予了较为全面的分析。在轨实测数据的计算处理结果表明，高效四结太阳电池开路电压3.321 V、短路电流密度15.76 mA/cm2，与地面测试数据一致性较好。电压、电流、温度系数等参数的在轨测试误差均小于2%，在轨遥测数据与地面测试数据的对比结果显示，电压遥测结果最大误差不大于0.70%，电流遥测结果最大误差不大于1.18%，电池实际在轨效率在34.44%～34.79%之间，显著高于当前空间用三结砷化镓太阳电池（4 cm2规格）30.5%的光电转换效率。

国内首次开展的此项试验工作获得了高效四结太阳电池的在轨数据和关键性能指标实测值，突破对太阳电池仅能在地面进行电性能标定和估算太阳电池寿命末期功率输出指标的局限性，填补国内缺乏在轨太阳电池电性能测试数据资料的空白，为高效率的空间砷化镓太阳电池改进以及地面测试设备标定提供了数据支持。目前，该IMM四结砷化镓太阳电池已初步实现产品化并应用于多个航天器。后续将进一步积累在轨试验数据，通过对比光谱响应获得一定剂量辐照后不同子电池的衰减情况，对其辐照效应、空间粒子等环境进行综合研究，准确表达IMM四结砷化镓太阳电池的空间环境损伤效应，并验证太阳电池长期在轨输出稳定性和长寿命性。