CN102338852B - 一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法。本发明属于卫星太阳能电池技术领域。本发明预测采用移位损伤方法：(1)确定太阳能电池移位损伤电子、质子辐照衰降性能衰降关系，进行电子、质子能级测试；(2)电池采用非电离能损计算电池的移位损伤；得到电池的移位损伤与电性能衰降关系；(3)通过微积分电子能谱计算电子总的移位损伤，通过微积分质子能谱计算质子的移位损伤；(4)确定电性能参数的衰降比，由电性能参数的初始值乘以衰降比就可得到辐照后的电性能预测值；(5)将电性能参数带入公式，求出相关数据后，即可根据公式求电池任意工作点辐照后的参数。本发明具有操作简单、高效快捷、数据准确、成本低廉等优点。

Description

一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法

技术领域

本发明属于卫星太阳能电池技术领域，特别是涉及一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法。

背景技术

空间太阳能电池作为卫星的主要能源来源，在空间飞行过程中由于受到空间质子和电子的辐射会产生性能衰降，为了保证卫星在轨飞行过程中电力供应充足需要在卫星太阳电池阵的设计阶段预测空间太阳能电池的辐照衰降程度。

目前，辐照衰降预测方法采用等效剂量法。该方法不需要清楚电池的辐照衰降机制、原理简单，但是该方法需要进行9个能级45个注量的辐照实验需要空间太阳能电池270片（每个能级6片）会消耗大量的人力物力，而且10MeV质子辐照实验由于能量较高不仅实验时间较长而且实验难度很大，另外等效剂量法仅有9个能级的实验不能覆盖所有的空间质子和电子的能级，所以其计算精确度有限，而且通过该方法仅能得到太阳电池开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率这几个点的辐照衰降情况，不能得到任意点的辐照后工作情况。

空间太阳电池采用等效剂量模型法来预测其在空间的性能衰减情况，该方法是通过实验确定不同能量的粒子（电子或质子）相对于某个参考能量（1MeV电子或10MeV质子）的相对损伤系数，然后将空间的粒子能谱折合成1MeV电子数量，根据1MeV电子测量的电池性能的变化曲线，得到空间环境性能参数的变化。由于空间能谱范围很广，所以该模型为了保证精确性需要做9个典型能谱的辐照实验，一旦电池工艺发生变化则要重做所有实验，所以该方法要消耗大量的人力物力，成本很高。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法。

本发明的目的是提供一种具有操作简单、高效快捷、数据准确、成本低廉等特点的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法。

本发明使用2个能级的电子和1个能级的质子共15个注量（消耗电池90片）的实验就可以预测电池电性能参数（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）的电子、质子辐照衰降比，然后根据这些结果预测电池任意工作点辐照后情况。

本发明空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测，采用移位损伤方法，包括以下步骤:

(1)确定太阳能电池移位损伤电子、质子辐照衰降性能衰降关系，对于电子采用两个能级进行测试，对于质子采用一个能级进行测试；

(2)硅太阳能电池采用硅的电子、质子非电离能损计算硅电池的移位损伤；单结砷化镓电池和多结砷化镓电池采用砷化镓的非电离能损计算砷化镓太阳电池的移位损伤；质子得到的移位损伤与电性能衰降关系为电池的移位损伤与电性能衰降关系；

(3)通过积分电子微分能谱和电子非电离能损的乘积计算两个能级的电子总的移位损伤，通过积分质子微分能谱和质子非电离能损的乘积计算质子的移位损伤；

(4)电子总的移位损伤和质子造成的移位损伤相加，然后根据电池的移位损伤性能衰降关系，确定电性能参数的衰降比，由电性能参数的初始值乘以衰降比就可得到辐照后的电性能预测值；

(5)多结电池：将电性能参数带入公式求出I_L、C₁、C₂、C₃后，即可根据该式求电池任意工作点辐照后的参数；

单结电池：将电性能参数带入公式求出I_L、C₁、C₂后，即可根据该式求电池任意工作点辐照后的参数。

本发明空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法还可以采取如下技术方案：

所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特点是：电子采用的两个能级范围分别为1MeV和1.5MeV～2.5MeV，在两个能级范围内选一点进行；质子能级范围为1MeV～3.5MeV，在范围内选一点进行。

所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特点是：电池采用非电离能损计算硅太阳电池、单结砷化镓太阳电池、多结砷化镓太阳电池的移位损伤时，电子或质子形成的移位损伤的计算方法是该能级电子或质子的通量乘以该电子或质子能级对应非电离能损。

所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特点是：电性能参数为开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流和最佳工作点功率。

所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特点是：通过微积分电子能谱计算两个能级的电子总的移位损伤时，计算公式为：

$D_{e,\mathrm{eff}}\left(1.0\right)=\frac{1}{S_e{\left(1.0\right)}^{n-1}}\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_e\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_e{\left(E\right)}^n\mathrm{dE}$

式中，为微分电子能谱，S_e(E)为能级为Ｅ的电子在电池材料中的非电离能损，S_e(1.0)为能量为1MeV的电子在电池材料中的非电离能损，Ｄ_e,eff(1.0)为电子造成的移位损伤，n为经验参数；

通过微积分质子能谱计算质子的移位损伤时，计算公式为：

$D_p=\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_p\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_p\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中，为微分质子能谱，S_p(E)为能量为Ｅ的质子的非电离能损，D_P为质子造成的移位损伤。

本发明的工作原理及其技术方案：

空间太阳电池辐照衰降的本质是电子（质子）入射到电池内部，通过非电离能损的方式将能量传递给靶材料，造成靶材料内部原子移位形成损伤，并且移位损伤越多，性能衰降越大，这一规律被称为非电离能损定律。本发明以移位损伤的多少为标尺来判断电池性能衰降的幅度，就可以建立空间太阳能电池电子（质子）辐照衰降的移位损伤方法。

本发明空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，包括以下操作步骤:

A．实验确定某种工艺下的太阳能电池“移位损伤——性能（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）衰降关系”，对于电子采用两个能级进行实验，两个能级ａ为1MeV，能级ｂ在1.5MeV～2.5MeV范围内内任选一点进行，对于质子采用一个能级进行实验，实验能级ｃ在1MeV～3.5MeV范围内任选一点进行，实验注量如下表：

辐照实验用“能级-注量”表

Ｂ、对于硅太阳电池采用硅的电子、质子非电离能损（NIEL）计算硅电池的移位损伤、对于单结和多结（2结及两结以上）砷化镓电池采用砷化镓的非电离能损（NIEL）计算单结和多结砷化镓太阳电池的移位损伤（D_d），移位损伤的计算方法为

D_d=NIEL(E)×φ(E)

D_d为入射电子（质子）形成的移位损伤，NIEL(E)为该电子（质子）某能级对应非电离能损，φ(E)为该能级电子（质子）的通量，将能级c质子的各个实验通量乘以能级c质子的非电离能损，由能级c质子得到的“移位损伤——性能（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）衰降关系”即为整个电池的“移位损伤——性能（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）衰降关系”；

通过公式（1）计算电子总的移位损伤，通过公式（2）计算质子总的移位损伤

$D_{e,\mathrm{eff}}\left(1.0\right)=\frac{1}{S_e{\left(1.0\right)}^{n-1}}\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_e\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_e{\left(E\right)}^n\mathrm{dE}---\left(1\right)$

$D_p=\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_p\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_p\left(E\right)\mathrm{dE}---\left(2\right)$

为微分质子能谱，为微分电子能谱，S_e(E)为能级为Ｅ的电子在电池材料中的非电离能损，S_e(1.0)为能量为1MeV的电子在电池材料中的非电离能损，S_p(E)为能量为Ｅ的质子的非电离能损，Ｄ_e,eff(1.0)为电子造成的移位损伤，D_P为质子造成的移位损伤，n为经验参数；

Ｄ、将电子造成的移位损伤进行标准化处理，然后将之和质子造成的移位损伤相加，然后根据电池的“移位损伤——性能衰降关系”确定电性能参数（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）的衰降比，由电性能参数的初始值乘以衰降比就可得到辐照后的电性能预测值；

E、将开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率带入公式3（多结电池）求出I_L、C1、C2、C3后，即可根据公式3求电池任意工作点辐照后的参数，或者将电性能参数带入公式4（单结电池）求出I_L、C1、C2后，即可根据公式4求电池任意工作点辐照后的参数；

$I=I_L-e^{(V+I{C}_2)C_1+C_3}---\left(3\right)$

$I=I_L-e^{V{C}_1}-V{C}_2---\left(4\right)$

本发明具有的优点和积极效果是：

空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明采用半导体材料粒子辐照后产生的移位损伤作为辐照衰降的评价标准，克服了以往等效剂量法需要设定参考能级的问题，从而减少了实验数量，采用该方法后实验电池只需要90片，为等效剂量模型的1/3，节省了大量的实验成本。

2、本发明采用空间太阳电池开路电压、短路电流、最佳工作点电压、最佳工作点电流、最佳工作点功率辐照后的预测数据计算其他工作点的辐照后数据，解决了等效剂量法不能预测空间太阳电池任意工作辐照后数据的问题。

本发明具有操作简单、高效快捷、数据准确、成本低廉等优点，可广泛应用于太阳电池任意工作辐照后数据预测。

附图说明

图1是本发明实验装置结构示意图。

图中，1.粒子加速器，2.粒子束，3.实验舱，4.实验托盘，5.旋转盘，6.真空泵，7.循环水Ⅰ，8.循环水Ⅱ，9.控制柜。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1。

实施例1

一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，采用移位损伤方法进行空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测，其实验条件、过程及工艺步骤：

实验采用LAPS2太阳模拟器测试太阳电池的电性能。实验条件及过程：将2cm×2cm太阳能电池三片一组放在实验托盘4上(每个剂量点3片太阳电池)，将实验托盘4放入实验舱3内的旋转盘5上通过控制柜9启动真空泵6和循环水Ⅰ7、循环水Ⅱ8，将实验舱3真空度抽至1E-3Pa（循环水用于冷却真空泵），通过控制柜9控制粒子加速器1将粒子束2发射到实验托盘4上，实验所用加速器类型、实验能量、实验剂量及束流密度如下表所示：

空间太阳能电池电子、质子辐照衰降采用移位损伤预测，包括以下步骤：

1.采用LAPSII光照测试设备在25摄氏度、1个太阳常数的条件下测试空间太阳电池辐照前的电性能（电池开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）；

2.按照表规定的能量和剂量进行辐照实验，电子两个能级ａ为1MeV，能级ｂ在1.5MeV～2.5MeV范围内内任选一点进行，对于质子采用一个能级进行实验，实验能级ｃ在1MeV～3.5MeV范围内任选一点进行。辐照实验后将电池搁置一周，然后采用LAPSII光照测试设备在25摄氏度、1个太阳常数的条件下测试空间太阳电池辐照后的电性能（电池开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）；

3.将辐照后的电性能参数除以辐照前的电性能参数得到辐照衰降比，将能级c质子辐照实验的各个通量乘以能级c质子在电池材料（对于硅电池采用硅材料，对于单结和多结砷化镓电池采用砷化镓材料）中的非电离能损得到移位损伤，将这些移位损伤和相应的能级c质子辐照实验后各参数的辐照衰降比匹配到一起即得到电池的“移位损伤--性能衰降关系”。

4.通过公式（5）计算电子总的移位损伤，通过公式（6）计算质子总的移位损伤

$D_{e,\mathrm{eff}}\left(1.0\right)=\frac{1}{S_e{\left(1.0\right)}^{n-1}}\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_e\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_e{\left(E\right)}^n\mathrm{dE}---\left(5\right)$

$D_p=\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_p\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_p\left(E\right)\mathrm{dE}---\left(6\right)$

为微分质子能谱，为微分电子能谱，S_e(E)为能级为Ｅ的电子在电池材料中的非电离能损，S_e(1.0)为能量为1MeV的电子在电池材料中的非电离能损，S_p(E)为能量为Ｅ的质子的非电离能损，Ｄ_e,eff(1.0)为电子造成的移位损伤，D_P为质子造成的移位损伤，n为经验参数。

4.按照3中的方法得到电子能级a和能级b的“移位损伤--性能衰降关系”，在a的“移位损伤--功率衰降关系”中任选一点，该点的功率衰降比为m，移位损伤为n，然后通过采用分段三次样条插值的方法计算在b的“移位损伤--功率衰降关系”中功率衰降比也为m的点的移位损伤o，将n和o带入公式7得到参数n的值：

$D_{e,\mathrm{eff}}\left(1.0\right)=D_e\left(E\right){\left[\frac{S_e\left(E\right)}{S_e\left(1.0\right)}\right]}^{n-1}---\left(7\right)$

其中D_e,eff(1.0)=n,D_e(E)=o,S_e(E)为能级b电子在电池材料中的非电离能损，S_e(1.0)为1MeV电子在电池材料中的非电离能损；

5.将4的结果带入能级为a的电子的“移位损伤--性能衰降关系”中

此时得到的衰降比为p，然后采用分段三次样条插值的方法在能级为c的质子的“移位损伤--性能衰降关系”中求取性能衰降比为p的点的移位损伤，该移位损伤为将电子标准化后的移位损伤——D'_e,eff(1.0)；

6.将D'_e,eff(1.0)和D_P加在一起即可得到电子和质子造成的总的移位损伤q，然后采用分段三样条插值的方法结合电池的“移位损伤--性能衰降关系”求得各性能参数（开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率）的辐照衰降比，由电性能参数的初始值乘以衰降比就可得到辐照后的电性能预测值；

7.将辐照后的开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流、最佳工作点功率带入公式8（多结电池）求出I_L、C1、C2、C3后，即可根据公式8求电池任意工作点辐照后的参数，或者将电性能参数带入公式9（单结电池）求出I_L、C1、C2后，即可根据公式9求电池任意工作点辐照后的参数。

$I=I_L-e^{(V+I{C}_2)C_1+C_3}---\left(8\right)$

$I=I_L-e^{V{C}_1}-V{C}_2---\left(9\right)$

Claims (5)

1.一种空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测，采用移位损伤方法，包括以下步骤:

(1)确定太阳能电池移位损伤电子、质子辐照衰降性能衰降关系，对于电子采用两个能级进行测试，对于质子采用一个能级进行测试；

(2)硅太阳能电池采用硅的电子、质子非电离能损计算硅电池的移位损伤；单结砷化镓电池和多结砷化镓电池采用砷化镓的非电离能损计算砷化镓太阳电池的移位损伤；质子得到的移位损伤与电性能衰降关系为电池的移位损伤与电性能衰降关系；

(3)通过积分电子微分能谱和电子非电离能损的乘积计算两个能级的电子总的移位损伤，通过积分质子微分能谱和质子非电离能损的乘积计算质子的移位损伤；

(4)电子总的移位损伤和质子造成的移位损伤相加，然后根据电池的移位损伤性能衰降关系，确定电性能参数的衰降比，由电性能参数的初始值乘以衰降比就可得到辐照后的电性能预测值；

(5)多结电池：将电性能参数带入公式求出I_L、C₁、C₂、C₃后，即可根据该式求电池任意工作点辐照后的参数；

单结电池：将电性能参数带入公式求出I_L、C₁、C₂后，即可根据该式求电池任意工作点辐照后的参数。

2.按照权利要求1所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：电子采用的两个能级范围分别为1MeV和1.5MeV～2.5MeV，在两个能级范围内选一点进行；质子能级范围为1MeV～3.5MeV，在范围内选一点进行。

3.按照权利要求1所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：电池采用非电离能损计算硅太阳电池、单结砷化镓太阳电池、多结砷化镓太阳电池的移位损伤时，电子或质子形成的移位损伤的计算方法是该能级电子或质子的通量乘以该电子或质子能级对应非电离能损。

4.按照权利要求1所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：电性能参数为开路电压、短路电流、最佳工作点电压、电流和最佳工作点功率。

5.按照权利要求1所述的空间太阳能电池电子、质子辐照衰降预测方法，其特征是：通过微积分电子能谱计算两个能级的电子总的移位损伤时，计算公式为：

$D_{e,\mathrm{eff}}\left(1.0\right)=\frac{1}{S_e{\left(1.0\right)}^{n-1}}\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_e\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_e{\left(E\right)}^n\mathrm{dE}$

式中，为微分电子能谱，S_e(E)为能级为Ｅ的电子在电池材料中的非电离能损，S_e(1.0)为能量为1MeV的电子在电池材料中的非电离能损，Ｄ_e,eff(1.0)为电子造成的移位损伤，n为经验参数；

通过微积分质子能谱计算质子的移位损伤时，计算公式为：

$D_p=\∫\frac{d{\mathrm{\φ}}_p\left(E\right)}{\mathrm{dE}}{S}_p\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中，为微分质子能谱，S_p(E)为能量为Ｅ的质子的非电离能损，D_P为质子造成的移位损伤。