CN101751501A - 一种空间辐射环境下砷化镓太阳能电池寿命预示方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种空间辐射环境下砷化镓太阳能电池寿命预示方法，属于空间环境工程领域和航天器太阳能电池阵设计领域。利用Geant4软件辐射输运工具箱来模拟计算电子在太阳能电池材料中的非电离能损与入射电子能量的关系，得出电池损伤系数与位移损伤剂量的关系曲线；模拟计算出GEO轨道的粒子通量能谱以及穿过石英玻璃盖片后的衰减谱；利用地面模拟试验获得的太阳能电池损伤系数与模拟计算获得的空间轨道位移损伤剂量，建立太阳能电池在GEO轨道辐射环境下寿命预示模型。本发明利用位移损伤剂量方法，预测不同空间辐射环境对电池性能参数衰减的影响，预测太阳能电池在轨使用寿命，确定出该特征曲线，节约了试验经费和时间。

Description

一种空间辐射环境下砷化镓太阳能电池寿命预示方法

技术领域

本发明的一种空间辐射环境下砷化镓太阳能能电池寿命预示方法，属于空间环境工程领域和航天器太阳能电池阵设计领域。

背景技术

在地球轨道空间，带电粒子辐射来源主要有三种：(1)来自太阳能系以外的银河系宇宙射线；(2)地球磁场捕获的荷能电子和质子，组成地球的辐射带；(3)太阳能粒子事件。

银河系宇宙射线是来自太阳能系以外的带电粒子，在整个星际空间中的分布被认为是相对稳定，各向同性的。

地球的捕获辐射带，分为外部辐射带和内部辐射带。内部辐射带主要是捕获的质子，也有少量的电子和离子。外部辐射带主要是捕获的电子。

太阳能粒子事件是在太阳能耀斑(solar flare)和日冕物质抛射(coronal massejection，CME)期间由太阳能发射出的粒子，包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。

对太阳能电池辐射影响最大的是高能电子和质子，可以造成太阳能电池材料的晶格原子发生位移损伤。由于高能带电粒子都具有一定的穿透能力，因此尽管太阳能能电池有玻璃盖片的保护，也不能完全阻挡带电粒子穿透玻璃盖片。带电粒子会对电池造成持续的损伤，导致电池最大输出功率下降，有可能导致电池阵输出功率在任务期后半段不能满足需求，这对于长寿命卫星的可靠性是一个潜在的巨大隐患。

随着太阳能电池技术的不断发展，出现了大量新型太阳能电池，而且已有电池的制造工艺甚至电池结构可能与以往大不相同。这些电池在航天器上应用，必须能够适应空间辐射环境的影响，因此在使用前需要进行辐射效应的研究。由于空间带电粒子可以看成是准连续能谱，要想模拟这个准连续能谱需要进行大量的辐照试验，这极大地增加了试验时间和成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决由于带电粒子对电池造成持续的损伤，从而导致电池最大输出功率下降的问题，提出了一种空间辐射环境下砷化镓太阳能能电池寿命预示方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种空间辐射环境下砷化镓太阳能电池寿命预示方法，其具体实施步骤如下：

1)利用Geant4软件辐射输运工具箱来模拟计算电子在太阳能电池材料中的非电离能损与入射电子能量的关系，太阳能电池材料中的非电离能损与入射电子能量的关系如公式(1)：

$\mathrm{NIEL}\left(E\right)=\frac{N_A}{A}{\∫}_{\mathrm{\θ}\min }^{\mathrm{\π}}\left[\frac{\mathrm{d\σ}(\mathrm{\θ},E)}{\mathrm{d\Ω}}\right]T(\mathrm{\θ},E)L\left[T(\mathrm{\θ},E)\right]\mathrm{dT}---\left(1\right)$

式(1)中，NIEL的单位为MeV·cm²/g，N_A是阿伏加德罗常数，A为原子质量，θ_min为反冲能等于原子位移阈值的散射角，dσ/dΩ为原子位移的总微分截面，T为靶材原子的反冲能，L(T)为带电粒子损失的能量中，电离能损和非电离能损所占比例大小的因子；

2)太阳能电池电子辐照的能量范围为0.8-2.5MeV，通量范围为10¹³-10¹⁵/cm²；利用太阳能电池损伤系数与电子能量和通量的关系；利用电子在太阳能电池材料中的非电离能损，得出电池损伤系数与位移损伤剂量的关系曲线；

3)模拟计算出地球同步轨道(GEO)(高度35870km，倾角0°)的粒子通量能谱(不同任务期对应不同的能谱)，以及穿过石英玻璃盖片后的衰减谱；

4)带电粒子在材料中沉积的非电离剂量定义为位移损伤剂量，其表达式为粒子通量与非电离能损的乘积，如(2)式：

D_d＝Φ(E)S(E)(2)

式(2)中，Φ(E)是电子通量，S(E)是电子在材料中的NIEL值，D_d是计算得到的位移损伤剂量；

当带电粒子对电池输出参数的损伤系数与粒子的NIEL成线性关系时，将电子在电池材料中的非电离能损曲线归一化最大输出功率按照(2)式给出的D_d重新作图，则不同能量的曲线将会重合为同一条曲线；然而当损伤系数与粒子的NIEL成非线性关系时，不同能量的曲线将不会重合；为了使不同能量的曲线能够重合，将(2)式改写为等效位移损伤剂量，如(3)式：

式(3)中，S(E_ref)是参考能量电子的NIEL(通常为1MeV的电子NIEL)，D_deff是计算得到的等效位移损伤剂量；

利用地面模拟试验获得的太阳能电池损伤系数与模拟计算获得的空间轨道位移损伤剂量，建立太阳能电池在GEO轨道辐射环境下寿命预示模型。

有益效果

本发明利用位移损伤剂量方法，可以预测不同空间辐射环境对电池性能参数衰减的影响，预测太阳能电池在轨使用寿命而且只需要很少的试验就可以确定出该特征曲线，节约了试验经费和时间。

附图说明

图1-电子在电池材料中的非电离能损图；

图2-砷化镓太阳能电池电子辐照试验结果图；

图3-GEO轨道的电子通量能谱图；

图4-等效位移损伤剂量图；

图5-等效位移损伤剂量与石英玻璃盖片厚度关系图；

图6-最大输出功率与石英玻璃盖片厚度关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

1)计算电子在GaAs材料中的非电离能损

利用Geant4软件辐射输运工具箱来模拟计算电子在GaAs材料中的非电离能损与入射电子能量的关系，根据公式(1)计算非电离能损NIEL，得到的NIEL关系如图1所示；

2)太阳能电池电子辐照试验研究

试验选用三结InGaP₂/GaAs/Ge太阳能电池，无防反射涂层，面积为2cm×4cm；使用电子加速器进行电子辐照试验；样品安装在真空室中，真空度小于10^-3Pa；试验温度为室温，试验中样品温度会由于电子束的辐照而上升；电池辐照时没有玻璃盖片，每一辐照条件下的样品数不少于3个；电子束辐照试验的电子能量与注量范围详见表1；

表1电子束辐照试验参数表

使用太阳能模拟器测量电池辐照前后的I-V曲线，测量是在一个太阳能常数，AM0，1367W/m²，温度为25℃的条件下完成的，GaAs太阳电池电子辐照试验结果如图2所示；

3)模拟计算出GEO轨道的电子通量能谱

为了利用位移损伤剂量的方法评价GEO轨道辐射对电池的损伤，首先对GEO轨道的空间辐射环境进行分析；GEO轨道15年任务期累积的电子积分谱如图3所示，电子积分谱是基于AE8MAX和AP8MAX的全向谱；

利用Geant4辐射工具箱计算了不同厚度(200、400、600和800μm)的玻璃盖片的衰减积分谱，如图3所示；从图3可以看出，入射谱和衰减谱的主要差别是1MeV以下的电子通量减少了；尽管衰减谱的绝对值随盖片厚度变化，但是它们的衰减趋势基本相似；

而且随着盖片厚度的增加，衰减幅度增大；从图3可以看出，100μm的石英玻璃盖片对质子谱的衰减非常严重，达到几个数量级，而在图3的电子谱情况，即使在低能端，电子衰减最大也没有超过1个数量级，考虑到二者在穿过玻璃盖片前具有相似的通量能谱；

4)建立GEO轨道辐射环境下太阳能电池寿命预示模型

为了使图2中不同能量的曲线重合为单一曲线，需要对(3)式进行拟合以获得最佳的n值；E_ref选为1MeV，拟合结果为n＝2.56；将图2的归一化最大输出功率曲线按照(3)式给出的等效1MeV电子位移损伤剂量(D_deff)来重新作图，这两条曲线将会重合为单一曲线；

对于图4所示的功率衰退曲线可以利用公式(4)进行拟合：

式(4)中，N(E)是归一化特征参数，D_deff(E)是公式(3)给出的等效剂量，C和D_x是拟合参数；实线是对图4的曲线拟合获得的该种太阳能电池的特征曲线；拟合结果为C＝0.216和D_x＝4.25×10⁹MeV/g，获得的特征参数对于特定的电池是确定的；

利用公式(3)，计算GEO轨道电子谱穿过石英玻璃盖片前后总的等效位移损伤剂量；考虑到低能带电粒子穿透力差，非电离能损主要沉积在电池表面，而无法沉积在电池内部的源区，因此这里只计算能量大于0.5MeV的带电粒子的位移损伤剂量；图5给出了GEO轨道电子谱的D_deff与石英玻璃盖片厚度的关系；图5给出的是GEO轨道15年任务期末归一化最大功率与石英玻璃盖片厚度的关系；可以看出15年任务期末归一化最大功率随玻璃盖片的厚度增加而增加；

利用图4给出的特征曲线，电子D_deff与玻璃盖片厚度的关系，可以转换为归一化最大功率与玻璃盖片厚度的关系，如图6所示；可以看出GEO轨道15年任务期末，最大输出功率随玻璃盖片厚度的增加而增加；如果不使用玻璃盖片，最大功率在15年后仅为初始值的59％左右，而500μm厚石英玻璃的使用增加最大功率到初始值的70％；可以看出100-200μm厚的石英玻璃对阻挡电子辐射损伤的影响有限，太阳能阵玻璃盖片厚度一般也是在这个范围；增加石英玻璃盖片的厚度，可以进一步减少太阳能电池累积的位移损伤剂量，增加输出功率，但是相应的也增加了太阳能阵的重量，因此二者之间必须进行折中选取。

Claims (1)

1.一种空间辐射环境下砷化镓太阳能能电池寿命预示方法，其特征在于：

1)利用Geant4软件辐射输运工具箱来模拟计算电子在太阳能电池材料中的非电离能损与入射电子能量的关系，非电离能损与入射电子能量的关系见公式(1)：

$\mathrm{NIEL}\left(E\right)=\frac{N_A}{A}{\∫}_{\mathrm{\θ}\min }^{\mathrm{\π}}\left[\frac{\mathrm{d\σ}(\mathrm{\θ},E)}{\mathrm{d\Ω}}\right]T(\mathrm{\θ},E)L\left[T(\mathrm{\θ},E)\right]\mathrm{dT}---\left(1\right)$

2)太阳能电池电子辐照的能量范围为0.8-2.5MeV，通量范围为10¹³-10¹⁵/cm²；研究太阳能电池损伤系数与电子能量和通量的关系；利用电子在太阳能电池材料中的非电离能损，得出电池损伤系数与位移损伤剂量的关系曲线；

3)模拟计算出地球同步轨道的粒子通量能谱，以及穿过石英玻璃盖片后的衰减谱；

4)带电粒子在材料中沉积的非电离剂量定义为位移损伤剂量，其表达式为粒子通量与非电离能损的乘积，如(2)式：

D_d＝Φ(E)S(E)       (2)

当带电粒子对电池输出参数的损伤系数与粒子的NIEL成线性关系时，将电子在电池材料中的非电离能损曲线归一化最大输出功率按照(2)式给出的D_d重新作图，则不同能量的曲线将会重合为同一条曲线；然而当损伤系数与粒子的NIEL成非线性关系时，不同能量的曲线将不会重合；为了使不同能量的曲线能够重合，将(2)式改写为等效位移损伤剂量，如(3)式：

$D_{\mathrm{deff}}=\mathrm{\Φ}\left(E\right)S\left(E\right){\left[\frac{S\left(E\right)}{S\left(E_{\mathrm{ref}}\right)}\right]}^{(n-1)}---\left(3\right)$

利用地面模拟试验获得的太阳能电池损伤系数与模拟计算获得的空间轨道位移损伤剂量，建立太阳能电池在GEO轨道辐射环境下寿命预示模型。

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