砷化镓太阳电池表面高透光率吸波材料结构设计与性能研究

徐建明，周罗增，张梦炎，唐道远，蒋 帅

（上海空间电源研究所，上海 200245）

0 引言

卫星的低可探测能力对其安全有重要意义，为此需开展卫星隐身技术研究。而太阳电池阵展开面积大，增加了被雷达侦察到的概率，为隐身起见一般会在太阳电池阵表面覆一层吸波材料，同时为保证电池阵的发电效能，要求其表面的吸波材料不能影响电池片的透光性能[1-2]。

传统的透明吸波材料主要是指金属氧化物透明薄膜。金属元素In、Sn等氧化物形态薄膜的禁带宽度＞3.1 eV，目前技术成熟的薄膜是掺锡氧化铟（ITO）。ITO的电阻率为10-2Ω·m，是一种宽能带薄膜材料，其带隙为3.5～4.3 eV，在可见光区的透光率大于80%，但在紫外光区和近红外区的透光率比较低。而空间用GaInP2/GaAs/Ge太阳电池的响应光谱为350～1800 nm，因此选用ITO薄膜作为太阳电池阵的吸波材料，将会极大影响底电池Ge的光谱吸收，导致底电池电流下降严重，可见ITO吸波材料不适用于太阳电池阵隐身[3-6]。

2004年，吴状春[7]报道了抽滤法制备碳纳米管透明导电薄膜（CNT-TCFs），该薄膜在导电性、透光性和柔性方面都呈现良好的特性，成为ITO薄膜最具前景的替代品[7-8]。碳纳米管薄膜是一维纳米碳晶体材料，具有极优的机械性能，弹性模量1～2 TPa、抗拉强度 13～53 GPa，同时具有极佳的导电性能，除在可见光光谱内透光率与ITO薄膜相当外，在红外波段透光率也很好。因此，本文拟选用碳纳米管薄膜作为高效太阳电池的吸波材料。单纯使用碳纳米管薄膜很难制备宽频吸波材料，故本文采用人工亚波长结构的设计方法来实现材料吸波性能的定制。基于人工亚波长结构设计透明吸波体的相关研究报道较多，如：Bhattacharya等设计的厚度为5 mm的光学透明和微波吸收材料，在0.9～1 GHz频率范围内反射率＜-10 dB、透光率＞75%[9]；Forouzmand等采用蝴蝶结周期结构设计厚度为5 mm的光学透明和微波吸收超材料，在5.8～12 GHz频率范围内反射率＜-10 dB、透光率＞62%[10]。但是，这些兼顾光学透明和微波吸收材料的吸收宽度较窄且透光率较低。因此，本文基于碳纳米管材料在可见光和近红外区的良好透光性，依据单层吸波材料设计理论和多层介质阻抗匹配设计理论，在砷化镓太阳电池表面建立亚波长吸波结构，通过调整其亚波长结构及碳纳米管薄膜材料的费米能级等参数，可以实现主要针对X波段的多带与宽带的吸波性能[11-13]。

1 吸波材料设计理论

根据电磁波传输线理论，当电磁波在传输过程中遇到边界时，一部分能量被边界反射，另一部分穿过边界。反射率R直接表征吸波材料电磁波吸收性能的优劣，并反映出吸波材料的吸波效果随频率的变化，

其中：ηn为第n层材料的特性阻抗，；kn为第n层材料的传播常数，；d为第n层

n材料的厚度。

根据传输线理论，通过调节多层材料的ε、μ、η、k、d可达到，实现较低反射率。因此，针对砷化镓太阳电池吸波需求，设计合适的亚波长结构，使碳纳米材料各特性参数达到较好的匹配组合，可实现材料吸波性能优化。

2 砷化镓太阳电池表面单层十字亚波长吸波体结构设计

砷化镓太阳电池表面吸波材料结构采用碳纳米管十字微结构，附在叠层太阳电池玻璃盖片的表面，结构自上而下依次为玻璃盖片、盖片胶、银正电极、电池层、银背电极，如图1所示。通过调节碳纳米管十字微结构单元的有效介电常数ε和有效磁导率μ，可使电磁波在该材料的入射表面处波阻抗

图1 太阳电池表面单层吸波体结构单元Fig. 1 Solar cell absorber structure element

图1中：d0为十字微结构厚度；d1为玻璃盖片厚度；d2为盖片胶厚度；d3为正电极厚度；d4为Ge电池厚度；d5为背电极厚度；P为砷化镓太阳电池玻璃盖片表面碳纳米管亚波长结构单元尺寸；L为碳纳米管十字微结构臂长；W为碳纳米管十字微结构臂宽。结构单元的初始结构参数和材料参数如表1和表2所示，EF为碳纳米管材料的费米能级。

表1 单层亚波长吸波结构参数Table 1 One layer subwavelength absorbent structure parameters

表2 单层亚波长吸波结构材料参数Table 2 One-layer subwavelength absorbent structural material parameters

利用 CST Microwave Studio 软件进行仿真计算，假设雷达电磁波垂直入射太阳电池表面，按照表1和表2所述碳纳米管十字微结构参数，可针对不同结构参数对砷化镓太阳电池吸波性能的影响进行分析。

图2 不同费米能级下碳纳米管材料介电常数随频率变化曲线Fig. 2 Dielectric constant variation with frequency at different Fermi levels

3 结构参数和费米能级对单层碳纳米管十字微结构吸波性能的影响分析

3.1 尺寸 P 变化的影响

设定碳纳米管十字微结构的其他结构参数保持不变，结构单元尺寸P分别取8、9、10 mm时，碳纳米管吸波材料的反射率变化情况如图3所示。

图3 吸波材料的反射率随单元结构尺寸P的变化Fig. 3 Effect of structural unit size P on the absorbing properties of microwave absorbing material

由图3可见：谐振频率会随P的增大向高频迁移，当P=8 mm时，谐振频率在 9 GHz附近，反射率峰值为-7.8 dB；当P=9 mm 时，谐振频率在 10 GHz附近，反射率峰值为-7.6 dB；当P=10 mm时，谐振频率在11 GHz附近，反射率峰值为-7.8 dB。

3.2 臂长 L 变化的影响

设定碳纳米管十字微结构的其他结构参数保持不变，P为 8 mm，臂长L分别取 5、6、7 mm时，碳纳米管吸波材料的反射率变化情况如图4所示。

图4 吸波材料的反射率随十字微结构臂长L的变化Fig. 4 Effect of cross arm length L on the absorbing properties of microwave absorbing material

由图4可见：谐振频率会随L的增大向低频迁移，当L=5 mm 时，谐振频率在 9.2 GHz 处，反射率峰值为-8 dB；当L=6 mm 时，谐振频率在 8.5 GHz处，反射率峰值为-7.8 dB；当L=7 mm 时，谐振频率在 8.0 GHz 处，反射率峰值为-7.7 dB。

3.3 臂宽 W 变化的影响

设定碳纳米管十字微结构的其他结构参数保持不变，P为 8 mm，L为 5 mm，臂宽W分别取 2、3、4 mm时，碳纳米管吸波材料的反射率变化情况如图5所示。

由图5可见：谐振频率会随W的增大向低频迁移，且峰值逐渐减小，当W=2 mm时，谐振频率在 9.8 GHz 处，反射率峰值为-9 dB；当W=3 mm时，谐振频率在 9.0 GHz处，反射率峰值为-8 dB；当W=4 mm 时，谐振频率在 8.6 GHz处，反射率峰值为-7.2 dB。

图5 十字臂宽W改变对吸波材料吸波性能的影响Fig. 5 Effect of cross arm width W on absorbing properties of microwave absorbing material

3.4 碳纳米管材料费米能级 EF 的影响

图6给出了在选定结构参数（见表1）下单层亚波长结构的吸收性能变化情况。当费米能级从0.3 eV逐渐增加到 0.5 eV时，材料的吸收峰从9.2 GHz处逐渐移动到 10.2 GHz 处。

图6 不同费米能下的吸收曲线Fig. 6 Absorption curves for different Fermi levels

3.5 小结

综上可以得出，以碳纳米管人工亚波长结构高效吸收为基础，利用十字微结构设计透明吸波材料，通过不同结构参数的优化设计，可在一定频率范围内调节吸波材料的吸收峰。

4 双层十字亚波长吸波体结构优化设计与性能分析

利用第3章所述设计方法将碳纳米管设计成单层十字微结构，可以实现对电磁波的吸收，但是吸收宽度较窄，效果不明显。因此，下文采用多层复合亚波长结构材料来实现双波段或多波段吸收电磁波，以拓展吸收带宽。图7所示为在玻璃盖片上下表面均设计十字微结构单元的双层吸波体。

图7 双层吸波体结构单元Fig. 7 Double-layer absorber structure element

4.1 正入射下结构参数优化设计

利用CST Microwave Studio软件对该双层碳纳米管亚波长结构材料的电磁吸收特性进行仿真计算，电磁波正入射，运用遗传算法得到优化吸波体在X频段内的反射率小于-10 dB，吸收峰位于9.0 GHz处。表3给出了优化后的吸波体的结构参数值，图8是优化后的双层吸波材料反射率曲线。

表3 优化后的双层亚波长吸波结构参数Table 3 Optimized parameters of double-layer subwavelength absorbing structure

图8 优化后的双层亚波长吸波结构材料反射率曲线（垂直入射）Fig. 8 Reflectivity curve for optimized double-layer subwavelength absorbing structural materials

由图8可以看出，优化后的双层碳纳米管亚波长结构材料的-10 dB 带宽为 8.2～10.3 GHz，相对带宽23%，可有效提升太阳电池的吸波性能。

4.2 电磁波入射角对反射率的影响

以上仿真分析均假设电磁波垂直入射砷化镓太阳电池表面，而在实际情况中电磁波入射方向具有一定的随机性。因此，改变电磁波入射方向，设定入射角分别为15°、30°和60°，计算得到不同入射角下的反射率曲线如图9所示。

图9 不同入射角下的反射率曲线Fig. 9 Effect of incident angle on the reflectivity

由图9可见：随着入射角的增大，材料吸波性能逐渐衰退，当入射角为15°时，-10 dB带宽为8.36～10.00 GHz，相对带宽为 18.2%；当入射角为 30°时，-10 dB 带宽为 8.48～9.52 GHz，相对带宽为 11.55%；当入射角为 60°时，-10 dB 带宽为 8.67～9.32 GHz，相对带宽为7.2%。

4.3 优化后结构的透光率分析

在砷化镓太阳电池玻璃盖片正反面构建双层碳纳米管亚波长结构材料，其透光率如图10所示，在350～1000 nm波长区间透光率≥85%，相对于玻璃盖片没有添加吸波结构之前透光率下降约5%，该波段对应三结砷化镓太阳电池的顶电池GaInP和中电池GaAs，对这两个子电池的性能输出影响不大。当波长大于1000 nm之后材料透光率下降，会影响三结砷化镓太阳电池的底电池Ge的光谱吸收，但因底电池对应的吸收光谱较宽，电流密度较大（见表4），且三结砷化镓太阳电池3个子电池之间相互串联，故对电池的整体性能输出影响不大。

图10 双层碳纳米管亚波长结构材料透光率曲线Fig. 10 Transmittance curve of double-layer nanotube subwavelength structural materials

表4 三结砷化镓太阳电池性能Table 4 Performance of triple-junction GaAs solar cell

5 结束语

本文为兼顾砷化镓太阳电池的透光性和吸波性能要求，选用碳纳米管作为砷化镓太阳电池的吸波材料，并选用碳纳米管十字微结构作为吸收单元，研究单元结构尺寸P、臂长L、臂宽W和费米能级EF对材料吸波性能的影响，并通过结构参数的优化设计，实现对X频段雷达波的最优吸收。结果表明：单层结构吸波宽度较窄，采用双层碳纳米管十字微结构分别附在电池玻璃盖片上下表面的结构形式，可有效拓宽电磁波的吸收带宽，为空间太阳电池阵隐身提供一定的技术支撑。

本文仅对碳纳米管材料对X频段雷达波吸波性能进行研究，而雷达波的频率一般为1～27 GHz（从L波段到Ka波段），因此，要真正实现太阳电池阵的低可探测能力，还需要面向全波段提高材料的吸收特性，并考虑吸波材料红外发射率对太阳电池工作温度（继而对电池光电转换效率）的影响，才更具实际意义和应用前景。这些可作为后续的研究方向。