CN101788472B - 一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，其特征是利用测光通量法来获取防护涂层的光学性能。首先对玻璃盖片进行辐照老化，使它的透射率基本不再变化；再通过少量地面粒子辐照标定实验，利用美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory，NRL)方法，确定在不同光谱下太阳电池的损伤特征曲线；分析透过防护涂层和玻璃盖片的太阳光引起的三结点太阳电池的响应，并利用地面实验标定的太阳电池的损伤特征曲线，计算由太阳电池退化引起的输出功率等效变化，以便于分离太阳电池退化与涂层退化的耦合作用，从而获得辐射环境中涂层光学透射率变化的评估值。该方法对于航天用光学材料的地面模拟环境原位测试有重要意义。

Description

一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，可适用于防护涂层在地面模拟空间环境中的原位测试，属于航天光学涂层的空间辐照测试方法领域。

背景技术

与传统的硅太阳电池和III-V化合物太阳电池相比，薄膜太阳电池具有高质量比功率、可卷包性、高抗辐照性等优势。为了匹配薄膜太阳电池的特点，新型的光学涂层取代了传统的玻璃盖片成为薄膜太阳电池的防护层。航天器的薄膜太阳电池及光学防护涂层在轨服役过程中将经受原子氧、太阳电磁辐射、电离层、地球辐射带、太阳宇宙线、等离子体等多种环境因素作用，空间环境因素引起防护涂层光学性能的退化是造成航天器太阳电池帆板输出功率下降的一个重要原因，因此研究防护涂层光学性能的退化规律对于确保我国地球轨道卫星达到设计寿命具有重要的意义。

国内外广泛开展的地面空间实验室的材料暴露试验可以完成光学涂层性能退化的测试。测试方法为：先将光学涂层样品置于地面模拟空间环境中进行辐照，然后取出样品，使用标定过的分光光度计对涂层的光学透射率进行直接测量。该方法的缺点是：将在真空罐中接受辐照后的光学涂层样品取出来测量，已经变化了的涂层性能在空气中会有部分恢复，因此测量的精度受到限制。

本发明针对此提出了一种结构简单、试验方便的太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，可用于模拟空间环境中的原位测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，以克服现有太阳电池防护涂层光学透射率测量方法不能实现模拟空间环境中原位测试的问题，设计一种方便的防护涂层光学透射率的测量方法。

本发明的技术解决方案是：在空间环境中表征太阳电池防护涂层性能变化的参数主要为光学透射率τ。由于太阳电池吸收的能量主要集中在可见光波段，因此通常利用涂层在太阳电池的吸收波段中的整体透射率来表示涂层的光学特性：

$T_{\mathrm{sc}}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{\mathrm{\λ}}^{{\mathrm{\λ}}_2}R\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中，τ(λ)是防护涂层的光谱透射率，R(λ)是太阳电池的光谱响应率，F(λ)是太阳光源的光谱辐照。可以通过实时监测防护涂层整体透射率的变化来测试涂层性能的退化。由于在进行原位测试或在轨测试时，太阳电池的性能也会退化，因此该方法需要将涂层的退化与太阳电池的退化分离，从而较准确的评价涂层光学性能的退化程度。该方法实现比对测量，将覆盖着涂覆有防护涂层的玻璃盖片的磷铟化镓/砷化镓/锗(GaInP/GaAs/Ge)三结点太阳电池称为测量通道，将覆盖着玻璃盖片的同样的三结点太阳电池称为参考通道。

一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，包括如下几个步骤：

(1)用质子和电子对玻璃盖片进行辐照老化，使它的光谱透射率在以后的辐照环境中基本不变。

(2)在一个太阳常数(F(λ))辐照下，当太阳电池工作温度为25℃时，利用美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory，NRL^[1])方法标定出太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用太阳电池损伤特征曲线1表示。

(3)使用光谱透射率为τ_c(λ)的滤镜，使入射到玻璃盖片上的太阳光谱为F(λ)τ_c(λ)。当太阳电池工作温度为25℃时，利用美国海军研究实验室(NRL)方法标定出太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用太阳电池损伤特征曲线2表示。

(4)进行空间辐照实验，确保每次测量时太阳电池工作温度为25℃，测量得到测量通道的输出功率变化为ΔP_m＝∫F(λ)Δτ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ；参考通道的输出功率变化为ΔP_r＝∫F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ。式中，τ_c(λ)是防护涂层的光谱透射率，τ_g(λ)是玻璃盖片的光谱透射率，R(λ)是太阳电池的响应率，Δ表示参量的变化。

(5)从标定的太阳电池损伤特征曲线1上确定与ΔP_r对应的粒子移位损伤剂量D_d。由于涂层对粒子的拦截能力可以忽略不计，此时两个通道的电池所受损伤相同，因此粒子移位损伤剂量D_d相同。从标定的太阳电池损伤特征曲线2上确定与粒子移位损伤剂量D_d对应的功率变化值，

ΔP′_m＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

(6)根据全微分的概念，测量通道的输出功率的变化可以等效为涂层退化引起的变化与太阳电池退化引起的变化的和，表示为，

ΔP_m≈∫Δτ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ+∫τ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

涂层的整体透射率的变化可以由下面的近似式来评估，

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sc}}=\frac{{\∫\mathrm{\Δ\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

$\≈\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m-\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_m^{\′}}{P_{r0}}$

其中，P_r0是参考通道输出功率的初始值。

本发明的原理为：当对防护涂层进行空间模拟环境中的原位测试时，不仅防护涂层受到空间中各种环境因素的综合影响而发生退化，被外壳和玻璃盖片保护的三结点太阳电池也受到环境因素的影响而发生退化，所以太阳电池输出的变化反映了涂层和太阳电池退化的综合效果，可以等效为仅由太阳电池退化引起的变化和仅由涂层退化引起的变化两部分的和。玻璃盖片上涂覆着的紫外线带通滤光膜可以基本消除紫外线对太阳电池的影响；经阳极氧化处理过的外壳表面以及玻璃盖片上涂覆有的红外线带通滤光膜可以有效降低太阳电池的工作温度，以消除太阳电池的热退火效应。于是，当保证每次测量时的太阳电池工作温度相同时，引起太阳电池退化的主要因素是粒子辐射。太阳电池的粒子辐射退化效果可以根据美国海军研究实验室(NRL)的方法通过地面实验标定。所以，当进行空间模拟环境中的原位测试时，可以根据上述的实验标定结果，用无涂层的太阳电池输出的变化推算出有涂层的太阳电池的退化程度，从而计算出仅由涂层退化引起的输出功率变化，最后计算出涂层的整体透射率的变化。

本发明一种太阳电池防护涂层光学透射率的测量方法，其优点及功效在于：在进行模拟空间环境中的测试时，可以等效的将防护涂层的退化与三结太阳电池的退化相分离，以实现对涂层光学性能退化的原位测试。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为依据本发明实施的测量系统示意图；

图3为依据本发明实施的美国海军研究实验室(NRL)方法流程图；

图中具体标号如下：

1、外壳              2、防辐射玻璃盖片       3、太阳电池防护涂层

4、玻璃盖片固定件    5、磷铟化镓/砷化镓/锗三结点太阳电池

6、薄膜热探测器      7、数据采集底座

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施步骤为：

(1)用较大的粒子注量辐照玻璃盖片，使它的透射率谱在以后的辐照环境中基本不变。

(2)在一个太阳常数(F(λ))辐照下，温度传感器测定的电池工作温度为25℃时，用一定能量和注量的电子和质子辐照参考通道，标定得到太阳电池的归一化输出功率与几个不同能量的电子和质子的注量的关系；利用美国海军研究实验室(NRL)方法，将用上述方法标定出的关系转换为太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用一条太阳电池损伤特征曲线1表示。

(3)使用光谱透射率为τ_c(λ)的滤镜，使入射到玻璃盖片上的太阳光谱为F(λ)τ_c(λ)。当温度传感器测定的电池工作温度为25℃时，利用与步骤(2)相同的方法，标定出太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用一条太阳电池损伤特征曲线2表示；

(4)在进行空间辐照实验前，当温度传感器测定的电池工作温度为25℃时，测量得到测量通道的输出功率为P_m0＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)R₀(λ)dλ；测量得到参考通道的输出为P_r0＝∫F(λ)τ_g(λ)R₀(λ)dλ。式中，τ_c(λ)是防护涂层的光谱透射率，τ_g(λ)是玻璃盖片的光谱透射率，R₀(λ)是初始状态下太阳电池的响应率。

(5)在进行空间辐照实验时，当温度传感器测定的电池工作温度为25℃时，对测量和参考通道的输出功率值进行记录，分别为P_r1和P_m1。计算得参考通道输出功率的改变量ΔP_r＝P_r1-P_r0＝∫F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ。

(6)从标定的太阳电池损伤特征曲线1上确定与ΔP_r对应的粒子损伤剂量D_d。由于涂层对粒子的拦截能力可以忽略不计，此时两个通道的电池所受损伤相同，因此粒子移位损伤剂量D_d相同。从标定的太阳电池损伤特征曲线2上确定与粒子移位损伤剂量D_d对应的功率变化值，

ΔP′_m＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ。

(7)根据全微分的概念，测量通道的输出功率的变化可以等效为涂层退化引起的变化与太阳电池退化引起的变化的加和，表示为，

ΔP_m≈∫Δτ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ+∫τ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

涂层的整体透射率的变化可以由下面的近似式来评估，

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sc}}=\frac{{\∫\mathrm{\Δ\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

$\≈\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m-\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

$=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m-\mathrm{\Δ}{P}_m^{\′}}{P_{r0}}=\frac{(P_{m1}-P_{m0})-{\mathrm{\ΔP}}_m^{\′}}{P_{r0}}$

图2所示为实施本发明方法所应用的一种测量系统，包括外壳1、防辐射玻璃盖片2、太阳电池防护涂层3、玻璃盖片固定件4、磷铟化镓/砷化镓/锗(GaInP/GaAs/Ge)三结点太阳电池5、热探测器6、数据采集底座7。该测量系统为一长方体双通道结构，左边的测量通道由涂层3、玻璃盖片2和三结点太阳电池5组成，右边的参考通道由同样的玻璃盖片2和三结点太阳电池5组成。参考通道中的热探测器6检测太阳电池5的工作温度。外壳1使用外表面进行过阳极氧化处理的航空铝合金。该测量系统在地面模拟空间环境中进行原位测试时，测量通道的输出功率为：

P_m＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ

参考通道的输出功率为：

P_r＝∫F(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ

由于测量通道和参考通道内的器件对称放置，并且相对于玻璃盖片2防护涂层3对电子和质子的拦截能力可以忽略不计，所以两个通道的太阳电池5受到的粒子损伤基本相同。又因为对外壳1进行了阳极氧化处理，并且在玻璃盖片2上涂覆有红外线带通滤光膜，所以当该仪器工作在冷热交替的环境中时，其内部的太阳电池5工作温度可以维持在室温附近，不会使已受粒子损伤的太阳电池5发生热退火。玻璃盖片2的紫外线带通滤光膜也可以基本消除紫外线对太阳电池5的影响。总之，当每次都在同一温度(如25℃)记录双通道的测量数据时，对涂层造成影响的诸多因素中，只有粒子辐照对太阳电池5有重要影响。

所以，当以全微分的概念处理测量通道的输出功率时，输出功率的变化可以等效为由涂层3退化引起的变化与太阳电池5退化引起的变化的和，如下式，

ΔP_m≈∫Δτ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ+∫τ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

其中，涂层3的退化由空间环境中诸多因素的综合作用引起，太阳电池5的退化主要由粒子辐照引起。

根据辐照实验中参考通道的输出功率变化和太阳电池5退化的地面标定数据，计算出仅由太阳电池5退化引起的输出功率等效变化，从而计算出涂层3整体透射率变化的评估值。太阳电池5退化的地面标定实验是对参考通道进行粒子辐照，并利用美国海军研究实验室(NRL)方法，确定太阳电池5的受损伤程度与其输出功率的关系。

图3所示为地面标定实验中使用的美国海军研究实验室(NRL)方法的流程图。非离子化能量损失(nonionizing energy loss，NIEL)表示一确定能量单位注量的粒子(电子或质子)对太阳电池造成的损伤，并且已经存在较准确的非离子化能量损失(NIEL)理论值。移位损伤剂量D_d表示一确定能量的粒子对太阳电池的损伤，可以用非离子化能量损失(NIEL)与粒子注量的乘积表示。对于质子造成的移位损伤剂量，用下式表示，

D_p(E)＝Φ_p(E)S_p(E)

对于电子造成的移位损伤剂量，用下式表示，

D_e.eff(1.0)＝D_e·[S_e(E)/S_e(1.0)]^(n-1)

上两式中，S_p(E)与S_e(E)分别表示质子和电子的非离子化能量损失(NIEL)，n是实验确定的参数。

地面粒子辐照实验得到的结果是粒子注量与太阳电池输出功率的关系，对于不同能量的粒子会形成不同的太阳电池损伤特征曲线。利用上述两式将粒子注量转换成移位损伤剂量，可以使不同的曲线叠合在一条曲线上。这样就可以将空间中多种能量的粒子对太阳电池造成的损伤与其输出功率直接联系起来，并且可以用一个半经验公式表示：

$P=P_0\·(1-C\log (1+\frac{D}{D_x}))$

其中，P为太阳电池归一化输出功率，D为总移位损伤剂量，C、D_x为拟合参数。

由于实验中参考通道和测量通道的太阳电池的损伤程度是相同的，可以利用参考通道的输出功率，结合利用美国海军研究实验室(NRL)方法标定出来的太阳电池损伤特征曲线确定测量通道由太阳电池退化引起的输出功率等效变化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

参考文献：

[1]S.R.Messenger，G.P.Summers and E.A.Burke，etc.“ModelingSolar Cell Degradation in Space：A Comparison of the NRL DisplacementDamage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approaches”，PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS：RESEARCH AND APPLICATIONS，2001

《空间中太阳电池退化的建模：NRL移位损伤剂量方法与JPL等效流量方法的比较》，光伏电池会议：研究和应用，2001

Claims (2)

1.一种防护涂层光学透射率的测量方法，其特征在于包括如下几个步骤：

(1)用质子和电子对玻璃盖片进行辐照老化，使它的光谱透射率在以后的辐照环境中基本不变；

(2)当太阳电池工作温度为25℃，光源辐照度为一个太阳常数(F(λ))时，对于防辐射玻璃盖片与三结太阳电池组成的参考通道进行粒子辐射实验，利用美国海军研究实验室方法标定出太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用太阳电池损伤特征曲线1表示；

(3)当太阳电池工作温度为25℃，使用光谱透射率为τ_c(λ)的滤镜将光源辐照度调整为F(λ)τ_c(λ)时，对于防辐射玻璃盖片与三结太阳电池组成的参考通道进行粒子辐射实验，利用美国海军研究实验室方法标定出太阳电池经受的粒子辐照损伤剂量与其输出功率之间的关系，并用太阳电池损伤特征曲线2表示；

(4)使用未受粒子辐射的同型号的三结太阳电池和已经过辐射老化的防辐射玻璃盖片组成参考通道，使用未受粒子辐射的同型号的三结太阳电池、已经过辐射老化的防辐射玻璃盖片、待测防护涂层组成测量通道，并对称设置这两个通道，保证进入这两个通道的光通量与粒子辐射量相同；

(5)对参考通道和测量通道进行空间辐照实验，确保每次测量时太阳电池工作温度为25℃，测量得到测量通道的输出功率变化为ΔP_m＝∫F(λ)Δτ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ，参考通道的输出功率变化为ΔP_r＝∫F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ，式中，τ_c(λ)是防护涂层的光谱透射率，τ_g(λ)是玻璃盖片的光谱透射率，R(λ)是太阳电池的响应率，Δ表示参量的变化；

(6)从标定的太阳电池损伤特征曲线1上确定与参考通道功率变化值ΔP_r对应的粒子移位损伤剂量D_d；由于涂层对粒子的拦截能力可以忽略不计，此时两个通道的电池所受损伤相同，因此粒子移位损伤剂量D_d相同；从标定的太阳电池损伤特征曲线2上确定与粒子移位损伤剂量D_d对应的功率变化值，

ΔP′_m＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

ΔP′_m代表测量通道中的仅由太阳电池退化引起的输出功率等效变化；

(7)根据全微分的概念，测量通道的输出功率的变化可以等效为涂层退化引起的变化与太阳电池退化引起的变化的和，表示为，

ΔP_m≈∫Δτ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)R(λ)dλ+∫τ_c(λ)F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

涂层的整体透射率的变化由下面的近似式来评估，

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sc}}=\frac{\∫\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

$\≈\frac{\mathrm{\Δ}{P}_m-\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫F\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_m^{\′}}{P_{r0}}$

其中，P_r0是参考通道输出功率的初始值。

2.根据权利要求1所述的一种防护涂层光学透射率的测量方法，其特征在于：该测量方法适用于地面模拟空间环境中接受太阳模拟器辐照时防护涂层光学透射率的测试。

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