航天用太阳电池地面标定测试装置研究

温天成，张书锋，刘 民，卢佳林，王 凯，邓星亮，唐友东

（北京东方计量测试研究所，北京 100086）

1 引 言

太阳电池是一种将太阳光能转化为电能的光学器件，目前广泛应用在各类航天器中［1］，对于以太阳电池（阵）作为主要能源的航天器来说，最重要的就是准确地测试太阳电池的电性能参数，太阳电池电性能参数将直接影响到航天器的尺寸、动力学特性、电源系统设计等方面，对于航天器设计研制有着重要意义。 太阳电池电性能测试的准确性取决于航天用标准太阳电池标定数据以及量值传递的准确性，其应用示意图如图1 所示。

图1 标准太阳电池应用示意图Fig.1 Schematic diagram of standard solar cell application

航天用标准太阳电池的空间标定，即在大气质量为零（Air Mass Zero，AM0）光谱、光照强度为1 367 W／m2、温度为（25 ±1） ℃的条件准确测量太阳电池的短路电流也称为标定值，从而得到在真实的空间环境中标定的一级标准太阳电池。 得到的一级标准太阳电池，可依据QJ 1018—86《标准太阳电池》、GB／T 64950. 2—1996《光伏器件 第2 部分：标准太阳电池的要求》和JJG 5—2011《标准太阳电池检定规程》在地面通过太阳模拟器，将标定值传递给二级标准太阳电池，从而建立整个航天用太阳电池的计量标准体系。 但是当一级太阳电池由于老化、损坏等不可抗力原因损坏，无法用太阳电池调节太阳模拟器产生标准光谱时，太阳模拟器法就不再可行。 地面标定法可以在室外环境进行高精度太阳电池标定，得到地面标定下的一级太阳电池，建立可靠的地面标定量值溯源体系。

传统的标准太阳电池标定方法分为高空（空间）标定和地面标定方法，主要方法如图2 所示。

图2 AM0 标准电池的标定方法框图Fig.2 Block diagram of AM0 standard solar cell calibration method

高空（空间）标定方法，是溯源到真实AM0 阳光条件，空间站标定、高空气球标定、高空飞行器标定都是为了将太阳电池送入高空或太空中，减小地球大气层对太阳光的散射吸收作用，让太阳电池在最真实的AM0 阳光条件下进行标定，这样标定的结果最接近太阳电池本身的电性能。 在2004 年至2014 年期间，国际空间站开展了三次太阳电池电性能测试，2019 年，中国首次开展卫星平台上的太阳电池标定研究。 高空气球标定法是利用高空气球将待标定太阳电池送往指定的高空环境中［2］，在36 km的平流层测量其输出短路电流，测量完成后回收太阳电池并用于参考标准。 由于36 km 左右的高空非常接近AM0 的阳光条件，因此广泛作为各种实验室任务。 但高空气球标定的缺点也很明显，实验操作难度大，成本高昂，需要高空气球或飞机等昂贵的运载工具。 相比之下，地面标定方法是在地面直接阳光下测试太阳电池短路电流、温度等参数，最后溯源到标准AM0 阳光条件，从而得到航天用一级标准太阳电池和一级标准子太阳电池。 相比于高空（空间）标定来说，地面标定方法操作简便，成本低廉，在室外阳光直射下或室内太阳模拟器下都可以进行实验，目前已纳入国际标准ISO 15387：2005 《Space systems—Single⁃junction solar cells—Measurement and calibration procedures》［3］。

为了满足航天标准太阳电池准确可靠的地面标定量值溯源需求，研究了新型的太阳电池地面标定测试设备，并进行了地面标定试验，初步实现了标定数据的复现，为建立航天标准太阳电池地面标定量传体系奠定技术基础。

2 地面标定法原理与步骤

2.1 测量原理

地面标定法的基本原理主要为：

地面标定法原理框图如图3 所示。 由于标准太阳电池标定是在AM0，25 ℃的情况下进行，但是受到室外环境的影响，很难达到这个条件，因此要进行温度、辐照度和光谱辐照度。 根据当前标定时太阳电池测试温度进行温度修正至25 ℃，再通过地面标定装置获取太阳电池的短路电流测量值ISC（AMx），通过量子效率仪获取太阳电池的相对光谱响应测量值SR（λ），在通过查询标准AM0 阳光光谱辐照度获取ERef（λ），地面直接阳光辐照度E通过太阳总辐射传感器得到，而地面直接阳光光谱辐照度测量值E（λ）是通过光谱分析仪得到。

图3 地面标定法原理框图Fig.3 Block diagram of ground calibration method

有了以上参数，就可以进行光谱修正和辐照度修正，将当前大气AMx 条件下的短路电流值修正到AM0 标定短路电流值，至此，完成了AM0 标准阳光条件下的太阳电池标定。

2.2 测量步骤

地面标定法标定主要步骤包括［4］：

1）将带底座的标定太阳电池安装在准直孔后端；

2）将装有标准太阳电池的准直孔、太阳辐照计、光谱仪安装在太阳跟踪器上；

3）启动太阳跟踪器，持续跟踪对准太阳，保证装有标准太阳电池的准直孔与阳光光线平行，偏差小于0.5 °立体角；

4）开启温控装置，将标准太阳电池的温度控制在25 ℃±1 ℃；

5）确认直接阳光辐照度不低于750 W／m2；

6）在60 s 内完成一次直接阳光的辐照度、光谱辐照度、标准太阳电池的短路电流及温度的测试；

7）重复测试至少5 次。

地面标定装置如图4 所示，其中还包含光谱仪与数字万用表。 在标定过程中，要注意被标定的太阳电池完全处于太阳光中，准直孔的作用是保证入射到太阳电池片的太阳光趋于平行，内壁是吸光材料，目的是减小内壁太阳光散射对太阳电池标定结果的影响。 由于地球自转的影响，需要调节太阳跟踪器来抵消误差。 在标定地点和时间的选择上，选择靠近赤道、阳光充足、视野开阔、没有高空遮挡物的地理环境；在时间上来说，南北回归线之间每年都会有太阳直射的时机，这时进行太阳电池地面标定可以保证太阳光的完全垂直入射。 为了确保标定结果的准确性，应保证待标定的太阳电池和太阳辐照计等标定设备在同一平面内，以此保证太阳跟踪的同步性［5，6］。

图4 太阳电池地面标定装置示意图Fig.4 Schematic diagram of ground calibration equipment for solar cells

3 地面标定装置设计

3.1 标准太阳电池

标准太阳电池选用北京东方计量测试研究所建立国防最高标准计量的单晶硅太阳电池，该太阳电池标定数据依据国际标准中高空气球搭载标定法获得，测量范围为（10～400） mA，不确定度为0.8 %（k＝2），稳定性0.05 % ／年，由于外形封装不同，分为两种。 虽然两种太阳电池封装规格不同，大尺寸有（70 ×90） mm，小尺寸有（56 ×76） mm，但中心都是（2 ×2） cm 的单晶硅太阳电池片。 外部接口为电流电压正负四线制连接。 背面装有温度传感器，用数字万用表测量电阻查表计算温度。

3.2 太阳跟踪器与太阳电池托盘

地面标定的主要问题是如何让太阳光在标定过程中始终垂直照射在太阳电池上。 根据控制方式的不同，主要分为两种跟踪方法：一是传感器跟踪法［7，8］，通过传感器在太阳光与接收板之间的光角度偏差产生反馈信号，经过信号放大调理后，控制电机转动，使接收板对准太阳，通过实时反馈来调整接收板位置。 这种方法是闭环跟踪，具有较好的实时性，但对室外环境要求较高，受天气环境影响强烈，同时跟踪精度取决于传感器精度。 二是视日运动轨迹跟踪法［9－11］。 视日运动轨迹跟踪法，就是通过计算地球上某一点某个时刻太阳的相对位置，从而对太阳进行跟踪。 在地面标定过程中，对太阳电池标定时间相对较短。 为了方便室外携带使用，本试验中采用赤道仪HEQ5 作为太阳跟踪器，中心抱箍位置放置筒形支架，将太阳电池托盘与筒形支架配合。 HEQ5 赤道仪则是视日运动轨迹跟踪法进行太阳跟踪，在不同地理环境时，可根据当地经纬度，时间等参数设置，整体精度良好，可满足太阳电池标定时间内光入射角度0.5 °立体角要求。

太阳电池托盘的材质为亚克力板，整体重量较轻，可搭载六块太阳电池，用定制法兰与筒形支架进行配合，赤道仪转动时，太阳电池托盘也随之移动，保证太阳光直射到太阳电池上。

3.3 准直孔

为了保证太阳光垂直入射太阳电池片，减小周围散射光的影响，设计轻量化可拆卸式分层的黑色准直孔，共5 层，每层10 cm，实物图如图5 所示。整体准直孔与太阳电池托盘通过木棒进行连接，达到可拆卸式目的，第一层准直孔可笼罩两种不同规格封装的标准太阳电池，孔径为10 cm，其余四层准直孔设计孔径为4.5 cm，太阳电池片（2 ×2）中心位置处都能接受到太阳光的直射。

图5 准直孔图实物图Fig.5 Figure of collimation holes

3.4 温度控制装置

标准太阳电池标定需要在25 ℃±1 ℃的环境下进行标定，为了控制所需温度，太阳电池整体放置在小型冷水板（2 ×2） cm 上，冷水板放置太阳电池托盘上，两端通过水管与冷水机进行连接，在冷水机进水位置增加温度受控电磁阀。 在标准太阳电池中心位置采用粘贴式PT100 铂热电阻，当室外环境温度大于所设定25 ℃时，电磁阀开启，维持温度，可保证太阳电池片在标定过程中温度在25 ℃。所标定的太阳电池采用水管串联的方式，达到整体控温的效果。 在标定时用数字多用表测量PT100查表阻值记录实际温度T，温度控制模块原理如图6 所示。

图6 温度控制模块原理示意图Fig.6 Schematic diagram of temperature control model

3.5 太阳辐照计

太阳辐照计放置在太阳电池托盘与赤道仪连接管道里的位置，由亚克力板定制的辐照计支架承接，上下位置可由拉杆进行调节，筒形支架内壁涂抹消光黑漆，使太阳辐照计接收到的光与太阳电池接收到的大致一致，太阳辐照计应送检到有资质的机构，溯源到低温辐照计基准上。

3.6 太阳电池片固定装置

标准太阳电池在太阳电池托盘上跟随太阳跟踪器运动时，为了保证其稳定性，设计胶木零件进行固定，在太阳电池和冷水板下方，也有定制零件对其进行固定，保证在标定过程中不会因为太阳电池片的移动而对标定结果产生影响，如图7 所示。设计的零件可以通过手拧螺栓固定太阳电池片在承重板上，第一层准直孔也可覆盖，材料轻质，不会对太阳电池片有所损坏。

图7 固定太阳电池零件图Fig.7 3D schematic diagram and picture of the part for fixing solar cells

3.7 光谱仪与量子效率测量装置

光谱仪采用AVANTES 的AvaSolar－3 型号，可覆盖（300～2 500） nm 的波段光谱，探测器可保证响应一致性接近100 %，它的测量速度快，采样时间最短可达2 μs。 可通过光谱仪进行对地面光谱辐照度E（λ）的测量。

太阳能电池量子效率测试仪可以测试太阳电池片的光电转换效率，由光源、单色仪、标准探测器、锁相放大器等组成。 在工作时，光源通过单色仪等可产生的单色光，单色光的波长的变化范围可达（300～1 800） nm。 在测试时，单色光照射到太阳电池片上，同时测试太阳电池片两端的发电电压，可以得出太阳电池片在不同波长光下的电压响应数据。 该数据与标准探测器的电压响应数据进行对比，可以计算得出被测太阳电池片的量子效率SR（λ），标准探测器应送检到有资质的机构，溯源到低温辐照计基准上。

4 结束语

标准太阳电池标定对于航天器电源系统有着重要意义，对于以太阳电池板（阵）为主要供电电源的航天器来说，只有获得准确的太阳电池电性能参数才能更好设计电源系统，而太阳电池标定就是为了获取它的电性能参数。 地面标定方法则是传统标定方法中最为简便的一种，它易操作，成本相对低廉，可复现性强。 研制一种以可拆卸式分层结构的准直孔、简便的温控系统、简易可获得材料为主体的符合国际标准上的地面标定测试设备，对最高标准太阳电池计量标准复现有着重要意义。