CN101788476B - 用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计，由外壳、测量通道、参考通道、热探测器和数据采集底座组成，其中外壳装载与保护所有元器件；测量通道由涂覆有防护涂层的防辐射玻璃盖片和三结点太阳电池组成，参考通道由防辐射玻璃盖片和同样的三结点太阳电池组成；热探测器为薄膜热探测器，置于参考通道的太阳电池侧边；数据采集底座内置信号采集板卡。防护涂层接受模拟空间环境的辐照后，根据两个通道输出功率的变化，结合标定的太阳电池损伤特征曲线，可以分离涂层退化与太阳电池退化的耦合影响，从而计算得到涂层光学性能的变化。本发明结构简单、时间常数小、测试精度高，可以实现模拟空间环境中防护涂层光学性能的原位测试。

Description

用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计

技术领域

本发明涉及一种用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计，属于航天光学涂层的空间辐照地面模拟测试领域。

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功率质量比、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。

国内外开展的对模拟空间环境下涂层性能退化的测试的方法为：先将涂层样品置于地面模拟空间环境中进行空间辐照，然后取出样品，使用标定过后的分光光度计对涂层的光学透射率进行直接测量。然而，将在模拟空间环境中接受过辐照的涂层样品取出来后，已经发生退化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、试验方便的用于测量太阳电池防护涂层光学透射率变化的光度计，既可用于模拟空间环境中原位测试，又可以应用于轨道空间中防护涂层的在轨测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计，以克服现有防护涂层光学性能测试系统结构庞大、成本高昂，且不能进行原位测试等方面的不足，构建一种测量简单、精度高、无可移动器件的涂层光学性能原位测试仪器。

本发明的技术解决方案是：用于太阳电池防护涂层光学性能原位测试的光度计，由测量通道、参考通道、热探测器、外壳和数据采集底座组成，其中外壳材料为外表面进行过阳极氧化的航空铝合金。该外壳固定在数据采集底座上，以装载和保护所有的元器件；

测量通道由涂覆有防护涂层的防辐射玻璃盖片和磷铟化镓/砷化镓/锗(GaInP/GaAs/Ge)三结点太阳电池组成，参考通道由未涂覆防护涂层的防辐射玻璃盖片和三结点太阳电池组成，两个通道内的玻璃盖片和太阳电池型号相同、对称放置，且两块玻璃盖片上都涂覆有紫外/红外线带通滤光膜；玻璃盖片固定件由一个长方形的凹槽和覆盖片构成，将玻璃盖片固定在外壳内；热探测器为薄膜热探测器，紧贴于参考通道的太阳电池侧边；数据采集底座内置信号采集板卡。

模拟空间环境中测试防护涂层光学性能变化的方法为：在太阳电池的一个确定的工作温度下，测量得到参考通道和测量通道输出功率的变化值，再根据地面标定实验确定的太阳电池损伤特征曲线，得到测量通道内仅由太阳电池退化引起的输出功率等效变化值，从而计算出防护涂层整体透射率的变化。

本发明的原理是：测量通道与参考通道的对称设计以及防护涂层相对于玻璃盖片可忽略不计的粒子防护能力，使入射到两个通道内光电池上表面的粒子辐射注量相等，则任意时刻两个光电池的退化程度相同。阳极氧化的外壳外表面减少了对太阳辐射的吸收，玻璃盖片上涂覆有的红外线带通滤光膜减少了太阳电池对红外线的吸收，这两项将太阳电池的工作温度控制在室温附近，使得太阳电池的热退火效应不会发生。玻璃盖片上涂覆有的紫外带通滤光膜基本消除了紫外线对太阳电池的影响。所以当每次进行测量的太阳电池工作温度(由薄膜热探测器测得)相同时，对太阳电池的退化起主要作用的是粒子(电子与质子)辐射，并且太阳电池输出功率的退化与粒子注量的关系可以通过地面实验标定。在对光度计进行模拟空间辐照时，利用参考通道中太阳电池的退化情况，根据标定的实验数据推算得到测量通道中太阳电池的退化情况，再从测量通道的输出变化中去除掉仅由太阳电池退化引起的变化部分，得到仅由涂层退化引起的变化部分，从而计算出防护涂层整体透射率的变化。

本发明与现有技术相比的优点在于：克服现有涂层光学性能测试系统不能实现空间模拟环境中原位测量的不足，并具有以下优点：测量简单、易于参数设置、优化和工程实现；无可移动的器件，因此体积小、重量轻、功耗较低。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；

图2为本发明的玻璃盖片固定件的构件的辐射图及侧视图；

图3为本发明实现太阳电池防护涂层性能变化测试的原理流程图；

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、三结点太阳电池

6、薄膜热探测器        7、数据采集底座

41、凹槽               42、覆盖片            43、空洞

具体实施方式

如图1所示，本发明包括外壳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、薄膜热探测器6、数据采集底座7，其中外壳1装载和保护其它的器件；用玻璃盖片固定件4固定涂覆着太阳电池防护涂层3的防辐射玻璃盖片2，它们与三结点太阳电池5组成测量通道；用玻璃盖片固定件4固定住的防辐射玻璃盖片2与三结点太阳电池5组成参考通道；薄膜热探测器6紧贴参考通道的太阳电池5的侧面；数据采集底座7内置信号采集板卡。

测量通道内的玻璃盖片2上涂覆了待测的防护涂层3，因此测量通道输出功率的变化反映了防护涂层3光学透射率的变化。但由于在进行模拟空间辐照实验时太阳电池5也会发生退化，需要从测量通道的输出中分离掉太阳电池5退化的影响。参考通道的玻璃盖片2上没有涂覆涂层，因此其输出功率仅反映太阳电池5退化的影响，可以结合地面标定的太阳电池5退化特性曲线，分离掉测量通道中太阳电池5退化的影响。

测量通道和参考通道采用型号相同的玻璃盖片2和三结点太阳电池5，并且将这些器件对称放置；防护涂层3对粒子的拦截能力相对与玻璃盖片2可以忽略不计，相当于两个通道内被拦截的粒子注量相等，所以两块太阳电池5受到相等注量的粒子辐照，发生的退化相同。

在两块玻璃盖片2上都涂覆紫外线带通滤光膜，过滤掉紫外线对太阳电池的影响。

外壳1材料选择具有高强度、低热膨胀系数、密度小的铝合金材料，并对其外部进行阳极氧化处理，使外壳1具有良好的温控性能；在两块玻璃盖片2上都涂覆红外线过滤涂层，减小太阳电池5对红外线的吸收，从而减少温升。这样太阳电池5的工作温度保持在室温左右的小范围内，从而使已受损伤的太阳电池5不会发生热退火。

如图2所示，玻璃盖片固定件4由长方形的凹槽41和覆盖片42组成，其中凹槽的面积和深度分别与玻璃盖片2的面积和厚度相等，用于装载玻璃盖片2；凹槽的底部与覆盖片的顶部分别有一个长方形的一定面积的空洞43，用来透过太阳光以及粒子辐射；覆盖片盖在凹槽上，用螺钉将覆盖片、凹槽的外沿与外壳1连接，用于固定玻璃盖片2。玻璃盖片固定件4采用和外壳1相同的材料。采用固定件固定玻璃盖片，不同于传统的用硅橡胶连接玻璃盖片与太阳电池的方法，方便在实验时对试件进行拆卸。

数据采集底座7内置数据采集板卡，数据采集板卡用于对参考通道和测量通道的输出功率进行实时采集。数据采集底座外壳上有电源口和数据通信口，分别用于数据采集板卡的供电和与上位机的通信。数据采集底座结构材料的选择和表面处理与外壳相同，从而保证内部采集电路温度不至于过高。

数据采集板卡用于对两个通道的输出功率进行实时采集。由于光度计的设计既要满足模拟空间环境的原位测试，又要考虑到以后可实现星载在轨测试的目的，因此数据采集模块应该具有功耗低的特点，所以数据采集板卡没有微处理器芯片。数据采集板卡只完成数据采集和与上位机通信的功能，其中数据采集板卡与上位机的通信是由上位机的并口模拟SPI(串行外围设备接口)实现，整个数据的处理由上位机实现。

如图3所示，本发明实现防护涂层性能变化测试的原理流程为：将测量通道中载有待测防护涂层的光度计放到模拟空间的辐照环境下，参考通道和测量通道的输出功率发生变化；数据采集板卡完成对三结点太阳电池2输出功率的信号调理、运算放大及模数转换，并通过与上位机的通信将信号送至上位机处理；上位机根据存储的经过地面实验标定的太阳电池2损伤特征曲线，结合参考通道输出功率的变化，计算出测量通道中由太阳电池退化引起的等效变化，从而计算得到防护涂层的整体透射率变化。

模拟空间环境中防护涂层性能变化的测试方法为：

经过测试，得到测量通道的输出功率变化，等效为由涂层退化引起的输出功率变化和由太阳电池退化引起的输出功率变化的和，

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，τ_c(λ)为涂层的光谱透射率，F(λ)是光源发出的太阳光谱，τ_g(λ)是玻璃盖片的光谱透射率，R(λ)是太阳电池的光谱响应率，Δ表示参数的改变量。

经过测试，得到参考通道的输出功率变化，

ΔP_r＝∫F(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

根据标定的太阳电池2损伤曲线，得到由太阳电池2退化引起的测量通道输出功率等效变化，

ΔP′_m＝∫F(λ)τ_c(λ)τ_g(λ)ΔR(λ)dλ

计算得到防护涂层3的整体透射率变化，

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

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

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。

Claims (2)

1.一种用于太阳电池防护涂层性能原位测试的光度计，其特征在于：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)、三结点太阳电池(5)、热探测器(6)、数据采集底座(7)，

其中，外壳(1)装载和保护其它的器件；该外壳固定于数据采集底座(7)上；

涂覆有太阳电池防护涂层(3)的防辐射玻璃盖片(2)被玻璃盖片固定件(4)固定在外壳(1)上，它们与三结点太阳电池组成测量通道；

用玻璃盖片固定件(4)固定住的另一块同型号的防辐射玻璃盖片(2)与另一个同型号的三结点太阳电池(5)组成参考通道；

热探测器(6)紧贴参考通道的三结点太阳电池(5)；

数据采集底座(7)内置信号采集板卡；

采用双通道设计以实现比对测量，测量通道与参考通道内的玻璃盖片(2)和三结点太阳电池(5)的型号相同，并且放置的位置对称；

所述外壳(1)材料选择航天用铝合金，其表面经过阳极氧化处理；

在防辐射玻璃盖片(2)上涂覆有紫外/红外线带通滤光膜；

用于固定玻璃盖片(2)的玻璃盖片固定件(4)由长方形的凹槽(41)和覆盖片(42)组成。

2.根据权利要求1所述的用于太阳电池防护涂层性能原位测试的光度计，其特征在于：热探测器(6)采用薄膜热探测器。 

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