空间太阳电池低温低光强测试研究

姚元鑫，尹兴月，张启明，于 辉

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

深空探测卫星由于工作在相对地球距离太阳更远的太空中，其特点就是能接收到的太阳光强度更低，温度也相对更低，如图1 所示，太阳电池阵的输出功率必然相应地减小，合理地设计太阳电池阵才能在离太阳较远的太空中产生足够的能量，满足航天器的载荷。深空各行星环境参数[1]如表1所示。

图1 温度与距离的关系

表1 深空各行星环境参数

在卫星上可持续发电的太阳电池翼，在低温低光强(low intensity low temperature，LILT)条件下的工作状态尤其重要。三结太阳电池每个子电池都会遵循随温度与光强度变化而变化，每个子电池都有不同的带隙和光吸收波段。对于串联后的整电池，电压是相加的，而总电流受子电池中最小电流的限制。三结太阳电池由三个子电池串联而成，温度和强度的影响变得更加复杂。各子电池都会随着温度的变化而变化。为预测在轨性能，开展地面的低温低光强测试很重要。

本文介绍的LILT 太阳电池用于彗星探测轨道上，探测器与太阳最远距离为3.0 A.U.，最低温度为-107 ℃，太阳电池阵处于低温低光强条件下，与近地轨道的光照和温度条件有很大差异。为获得该环境下太阳电池I-V 曲线特性以及电性能数据，需在地面模拟该环境并测试得到数据。

1 测试设备

为获得低温低光强的测试环境，需要完成太阳模拟器光强及温控平台改造，并控制测试误差，使数据准确有效。

1.1 太阳模拟器

稳态太阳模拟器，可以提供稳定的光源输出。太阳模拟器应满足三个指标：AM0光谱，不均匀性≤±2%，不稳定性≤±1%。

由于氙灯光谱特点，在700～1 100 nm 波长范围内存在很多尖峰，这些尖峰的能量很大，影响太阳模拟器光谱不匹配度，如图2 所示。太阳电池材料的禁带宽度随温度的变化而变化，此时存在尖峰的光谱可能会在测试中对电池的电性能产生影响。为消除这些尖峰对太阳电池测试带来的影响，提高测试准确性，需对太阳模拟器进行改造。

图2 AM0光谱与单灯太阳模拟器光谱对比

将单灯太阳模拟器改造成双灯太阳模拟器，由氙灯和卤素灯模拟AM0 光谱。增加光学器件，分别获取氙灯750 nm以前的光谱和卤素灯750 nm 以后的光谱，如此完成太阳模拟器光谱的改造，如图3 所示，改造后的太阳模拟器与AM0 光谱更接近。

图3 AM0光谱与改造后的太阳模拟器光谱对比

稳态模拟器低光强获取方式有两种。

一种方式是直接降低光源两端电流，使光源输出光强减弱；氙灯在低功率输出的情况下光强不稳，如图4 所示，用采集器采集电池的电流值，1 s 采集1 次，共采集30 s，测试光强的不稳定性。数据显示电流最高7.05 mA，最低6.41 mA。

通过公式(1)计算得到不稳定度为4.76%，光强不稳直接导致无法准确测得太阳电池的电性能参数。

另一种方式是增加工装，以遮挡的方式降低光强。增加工装是为了在尽量小幅度改变模拟器光源输出功率的情况下，通过遮挡减少光的输出面积，从而达到量化降低光强的目的。在光源的照射下，温度高于500 ℃，必须选择耐高温的材料；遮挡光源后必然对模拟器的光输出产生影响，表现在光谱的变化和光均匀性的变化：任何材料都会对光进行吸收和反射，这就容易导致光谱在遮挡后发生变化。

为满足上述要求，设计了光强衰减器，经多次实验，实现了在小幅度调整太阳模拟器光强的前提下，完成太阳模拟器大幅度光强的衰减。实测增加光强衰减器后不同光强下的光谱曲线如图4 所示。

图4 不同光强下的光谱曲线

对测得的光谱积分后计算单位波长光强能量的占比，得到不同光强下的光谱分布情况，如表2 所示，通过表中的光谱分布可得到，在300～1 800 nm，三种光强下单位波长能量占比存在细微差异，添加器具后光谱分布变化幅度较小。

表2 不同光强下光谱分布对比

为了进一步验证添加衰减器后光谱细微的差异是否对电池的测试产生影响，通过测试子电池和整电池电性能，对比不同光强条件下短路电流的变化，验证模拟器光强及光谱准确性。如表3 所示，以3 A.U.的测试结果为例，测试结果表明，各子电池的短路电流均降低至1/9，添加光强衰减器实现了光强的降低，且光谱分布保持较好。

表3 1 A.U.与3 A.U.下短路电流对比

分别对添加光强衰减器后的稳定性和不均匀性进行测试，结果为：不稳定性为0.71%，不均匀性为0.98%。结果表明，经过改造后太阳模拟器的光谱匹配、光强不稳定性、不均匀性均满足测试要求。

1.2 温控系统

单体太阳电池测试设备实现低温测试功能需要克服以下两个问题：一是进行低温工况测试时，工作台低温使被测电池片表面形成水雾，影响光透射，产生测试误差；二是测试时光照会使电池片温度升高，被测电池温度控制难度较大。通过新增高真空腔体，将被测电池放置在真空腔体内进行测试，以避免水雾影响光源透射，通过升级温控平台控制软件，使测温、控温更加精准。

1.3 测试方法

在低温低光强环境下对太阳电池进行电性能测试，温控系统需放置在有效光斑内，由数字源表完成太阳电池在当前环境的电性能测试，所有电池均用四线制测试，如图5 所示。热电偶分别放置在测试台上，为被测电池提供准确的温度数据。

图5 测试平台搭建

使用标准电池校准太阳模拟器，保持温度为25 ℃，完成光强校准后便不再调整太阳模拟器光强。按需求设置测试温度并完成当前温度下的电性能测试。每个测试点同时测量温度、电流、电压。在测试期间，温度保持在1 ℃以内变化。

2 测试结果

被测样品为40 mm×60 mm 三结砷化镓太阳电池，样品在25 ℃条件下进行测试，图6所示为太阳电池分别在1、2、3 A.U.三种光强下的I-V 曲线。

图6 25 ℃三种光强下的I-V曲线

开展了1、2、3 A.U.三种光强下从25 ℃到-120 ℃下的电性能测试，并绘制出不同光强下电流、电压、效率随温度变化的曲线，如图7 所示。数据显示，电流随温度的降低而降低，电压随温度的降低而升高，电流和电压随温度变化的趋势并没有因为光强的变化而发生大幅度的变化。最大功率随着温度的降低一直呈上升趋势，在-100 ℃以后上升趋势逐渐平缓，结果表明，光强对电池各项参数的温度系数影响较小。

图7 不同光强下电流、电压、效率随温度变化的曲线

最终获得了各典型环境条件下的I-V 曲线以及参数，如图8 所示，其中最终目标轨道环境条件为3 A.U.，-110 ℃下效率最高可达34.5%。

图8 不同光强和不同温度下的I-V 曲线

3 结论

本文通过改造太阳模拟器和温度控制，使其满足低光强的测试条件，经过验证测试表明，改造后的太阳模拟器其光谱与AM0 光谱非常接近，不稳定性和不均匀性分别为0.71%和0.98%；增加高真空装置，升级温控平台，减小了外界因素带来的测试误差。最终搭建的测试平台满足低温低光强的测试要求并完成了低温低光强测试，结果表明，测试平台满足LILT 电池对于光强、光谱及温度的测试需求。本文的测试数据可以为LILT 电池的优化以及深空探测提供有效的数据支撑。