国外空间多结太阳电池技术进展

郁济敏， 赵志国

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.中国国防科技信息中心，北京100142)

自1955年，Jackson首次提出多结太阳电池的概念以来，随着金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)技术、材料生长技术和隧穿结串联等技术的发展，己实现以砷化镓三结太阳电池(GaInP/InGaAS/Ge)为主的多结太阳电池批产。砷化镓三结太阳电池以其较高的转换效率、材料晶格匹配易于实现和优良的可靠性等优势己经在空间飞行器上得到了广泛应用。GaAs多结太阳电池取代硅电池用于空间地球轨道飞行已有10多年的时间了。多结太阳电池的高转换效率，较高的减反射率和较低的温度系数使其在空间飞行器上大量使用。

除了在近地轨道卫星上使用多结太阳电池以外，多结太阳电池还用于特定条件下的空间飞行任务上，如高温高辐照条件下的Bepi Colombo水星探测行动、低温低辐照下的Laplace木星探测行动以及大气光谱移动条件下的火星探测行动等。本文报道了国外主要空间太阳电池生产公司最新产品的生产和应用情况。

1 德国AZUR公司的空间太阳电池

1.1 效率为29.8%的“3G30”太阳电池

德国AZUR公司最新研制的晶格匹配的空间三结太阳电池在寿命初期(BOL)时的效率为29.8%，在寿命末期(EOL)时的效率为28.1%(AM0，28℃)，这种电池被命名为“3G30”电池。目前，公司已为客户提供了125 000片的“3G30”电池，电池厚度分为150和80 μm，有特殊需要的，电池厚度还可降至20 μm。电池尺寸有标准的4 cm×8 cm，还有大面积的8 cm× 8 cm和6 cm×12 cm。

图 1所示是 100 mm直径 Ge衬底的 4 cm×8 cm“3G30”太阳电池和150 mm直径Ge衬底的6 cm×12 cm“3G30”太阳电池。两片电池都是切角的，厚度150 μm，银触点，双层减反射膜。为避免产生偏压，电池可以通过内置或外置二极管的方式对电池进行保护[1]。

图1 4 cm×8 cm和6 cm×12 cm的“3G30”电池样品

图2是对700个4 cm×8 cm的“3G30”电池样品进行检测的效率高斯分布图，电池平均效率为29.8%。

1.2 “3G30”太阳电池的在轨实验应用

图2 “3G30”电池样品的效率分布图

2012年7月22日发射升空的德国科技卫星TET-1上装载了AZUR公司生产的“3G30”太阳电池。电池尺寸为4 cm×8 cm，厚度分别为150、80和20 μm三种，如图3所示。

图3 在轨测试的4 cm×8 cm“3G30”电池

在轨测试的太阳电池记录了从2012年7月26日到2013年10月31日的实验数据。TET-1卫星上装载的不同厚度太阳电池的相关数据如图4所示[2]。

图4 三种不同“3G30”太阳电池在轨实验数据分布(AM0，28℃，虚线为实验室数据)

1.3 下一代35%效率的电池新技术的发展方向

在航天工程零失误与高可靠的要求下，太阳电池作为卫星的电源系统，其技术也要不断地更新发展，其中最重要的是提高太阳电池的转换效率和降低质量。目前，AZUR公司正在研发AM0条件下BOL时35%效率的太阳电池，预计EOL效率至少达到30%。

现在，各国都在致力于新电池技术的研发，如1 eV材料(如GaInNAs)晶格匹配电池，多量子阱或量子点电池，反向生长电池等。

2 美国Emcore公司的空间高效太阳电池

2.1 效率为29.5%的ZTJ太阳电池

Emcore公司新一代InGaP/InGaAs/Ge三结ZTJ太阳电池的批量生产自2009年起已生产了超过300 000片电池，效率达到29.5%，装备了35颗卫星，主要为军用、侦查及通讯卫星，功率输出1～25 kW。

以前，空间太阳电池一般采用“2个/片”的方式生产，即在每个直径为100 mm的锗片上生产出2个电池片，这种电池片的面积一般为20～30 cm2。近几年，“1个/片”的生产方式悄然兴起，这种生产方式成本低，电池片面积大，能够接近61 cm2。截止到2013年，Emcore公司按照“1个/片”的方式生产了ZTJ电池60 kW，装备了12颗卫星。

2.2 ZTJ太阳电池的空间应用

Emcore公司的ZTJ电池在NASA太阳地球探索项目中的磁化层多角度探测(MMS)子项目上得到应用，为4颗MMS卫星装配了32块太阳电池板和两块备用电池板，在EOL和正常太阳辐照情况下总的输出功率超过5 kW。每颗卫星上装配8个壳体式太阳电池板，每个电池板上装有162片“1个/片”的ZTJ太阳电池片，如图5所示。

图5 MMS子项目中使用的太阳电池板

NASA在2012年成功发射的核分光望远镜阵 (NuStar)上装配了Emcore公司的“2个/片”ZTJ太阳电池，整个太阳电池阵是由5块太阳电池板组成的电池翼，在EOL时的输出功率达到750 W，如图6所示[3]。

图6 NuStar飞行器在轨示意图

3 美国Spectrolab公司反向生长多结太阳电池

反向生长三结太阳电池的结构是先生长晶格匹配的顶电池和中间电池，后生长晶格失配的底电池，因此材料和器件的质量能够得到保证，结构示意图见图7。反向生长的太阳电池的优点有：更高的理论效率；电池的质量更轻；由于生长外延层的衬底可剥离，因此衬底可反复利用。

图7 反向生长多结(IMM)太阳电池结构示意图

美国Spectrolab公司一直致力于高效反向生长多结太阳电池的研究，并已有空间应用。大面积(26 cm2)IMM三结电池在AM0条件下转换效率达到32%，开路电压3.04 V，短路电流密度16.7 mA/cm2，填充因数0.84。IMM四结电池(1 cm2)在AM0条件下转换效率为33%，开路电压为3.42 V，短路电流密度为15.8 mA/cm2，填充因数0.82。

Spectrolab开发的晶格匹配的多结电池XTJ面积26.62 cm2；LEONE电池面积59.6 cm2，这两种电池均为100 mm衬底。在此基础上，又开发出了150 mm衬底，面积为72 cm2的XTJ SuperCell电池，电性能与机械性能与前两种电池相当(图8所示)。

图8 面积为26.62、59.6和72 cm2的三种反向生长多结太阳电池

未来高性能空间太阳电池的技术方向为发展多结，一般3～6结电池结构，反向晶体生长，以达到理想的禁带宽度，在1-sun，AM0条件下效率达到33%以上。反向生长三结和四结电池被认为是取代目前Ge衬底电池的下一代新型电池。图9是Spectrolab公司开发的反向生长三结和四结电池结构示意图[4]。

图9 反向生长三结和四结电池结构示意图

4 日本空间用薄膜太阳电池

4.1 日本JAXA开发的薄膜多结电池

日本航天研发机构JAXA近年来致力于研发薄膜III-V族多结太阳电池，JAXA研发的带有透明膜的层叠薄膜电池名为“Space Solar Sheet(SSS)”。第一代SSS-1问世于2010年，为InGaP/GaAs双结(TF2J)太阳电池，AM0条件下，转换效率为25%，比功率0.4～0.5 W/g。这种薄膜电池分别使用两种材料作为活性面，一种是透明树脂膜，另一种是玻璃盖片。经过空间环境和可靠性实验，使用透明膜的电池低轨(LEO)使用可超过5年，使用玻璃盖片的电池高轨(GEO)使用可达10年。图10是面积为25 cm2的TF2J薄膜太阳电池样品。

图10 InGaP/GaAs薄膜双结太阳电池样品照片

TF2J电池是在Ge衬底上反向生长InGaP/GaAs双结太阳电池外延层的。由于外延层厚度约10 μm，太薄难以处理，所以在电池制作过程中将Ge衬底完全去掉，在电池的背面形成支持层。AM0条件下的I-V性能曲线如图11所示，短路电流(Isc)、开路电压(Voc)和最大功率(Pmax)分别为：421 mA、2 378 mV和860.5 mW。实验表明，在几百keV的光子能量区，TF2J电池比传统的InGaP/GaAs/Ge三结电池的减反射性能更好。

图11 TF2J电池的典型I-V曲线图

4.2 薄膜电池组

把若干TF2J电池连接起来使用时，由于太薄，很难控制处理，所以需要把电池层叠连接起来形成电池组，把这样的产品叫做“SSS”电池组。

图12是分别使用透明树脂膜和玻璃盖片制作的TF2J电池连接成的电池组，上面的电池组是使用透明树脂膜低轨应用的SSS-1F，下面的是使用玻璃盖片高轨应用的SSS-1G。把5个TF2J电池单体连接起来形成电池组测试样品，两种电池组的最大功率分别为3.5和3.8 W，比功率分别为0.52和0.41 W/g，两种电池组的性能曲线如图13所示。

图12 SSS-1F和SSS-1G电池组样品照片

图13 5个电池单体连接成的电池片SSS-1F和SSS-1G的I-V特性曲线图

电池组SSS-1F和SSS-1G经过各种环境测试，如热循环、湿度、空气中高温、真空中高温、高温下电流反向等实验，实验条件和结果如表1所示，两种电池组在测试中均没有性能衰降。性能测试与环境测试结果表明，电池组SSS-1F可以满足低轨应用5年以上，SSS-1G可以满足高轨应用10年的要求。

表1 环境测试条件和结果

5 总结

德国的 AZUR SPACE公司研制的晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池“3G30-advanced”转换效率达到29.8%。美国Emcore公司研发的新一代三结ZTJ太阳电池转换效率达到29.5%，已在35颗卫星上得到使用。美国Spectrolab公司近年来致力于反向生长多结太阳电池的研究，反向生长三结太阳电池转换效率达到32%。日本JAXA一直开发薄膜多结太阳电池，以达到轻质、高效的目标，目前研制的薄膜InGaP/GaAs双结太阳电池转换效率达到25%，通过模拟实验可达到低轨5年、高轨10年的寿命[5]。

[1]STROBL G F X，FUHRMANN D.About AZUR's“3G30-advanced”space solar cell and next generation product with 35%efficiency[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:104-108.

[2] STROBL G F X.Development of lightweight space solar cells with 30%efficiency at end-of-life[C]//40thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Denver，US:IEEE，2014:3595-3600.

[3] FATEMI N.Qualification and production of Emcore ZTJ solar panels for space missions[C]//39thIEEE Photovoltaic Specialists Conference.Tampa，US:IEEE，2013:2793-2796.

[4] DANIAL C.Law，recent progress of Spectrolab high-efficiency space solar cells[C]//Conference on Nanophotonics and Macrophotonics for Space Environments VII.San Diego，US:IEEE，2012: 3146-3149.

[5] IMAIZUMI M.Overview of Japanese solar cell and panel development for space application[C]//27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.Frankfurt，DE:27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，2012:116-121.