CN102650709A - 空间用硅太阳电池的带通滤波器 - Google Patents

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陆剑峰
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Abstract

本发明涉及空间电源，公开了一种空间用硅太阳电池的带通滤波器。包括一层掺二氧化铈的抗辐照玻璃基体；在玻璃基体的上表面制备有紫外截止滤光片，在玻璃基体的下表面制备有红外截止滤光片。本发明解决了现有技术的硅太阳电池对红外光强烈吸收，导致工作温度高、输出功率大打折扣的问题，取得了降低硅太阳电池的在轨工作温度，提高在轨输出功率的有益效果。

Description

空间用硅太阳电池的带通滤波器
技术领域
本发明涉及空间电源，具体涉及一种空间用硅太阳电池的带通滤波器。
背景技术
世界上很多航天器均采用了各种类型的硅太阳电池作为主电源，为抵御空间环境下粒子辐照对电池造成损伤从而影响电池性能，一般在电池的上表面粘贴掺二氧化铈的抗辐照玻璃盖片制成叠层电池。
在空间环境下，硅太阳电池的工作状态与叠层电池的太阳吸收率有密切的关系，太阳吸收率每升高0.01，电池的工作温度将升高1℃，电池的输出功率将减少0.4％到0.5％。目前在空间广泛应用的玻璃盖片一般是在玻璃基体的上表面蒸镀一层MgF2减反射膜，主要目的是为了提高玻璃盖片的透射率，从而进一步提高电池对400nm～1100nm范围内的太阳光的吸收利用，提高电池的输出功率。这种盖片在400nm～2000nm的波长范围内其透射率均在90％以上，大部分红外光将直接入射到太阳电池上并被太阳电池吸收，因此采用这种盖片无法对叠层电池的太阳电池吸收率进行有效的调节，尤其是采用了陷光结构的高效薄硅太阳电池，由于对红外光具有强烈的吸收，其太阳吸收率高达0.86以上，工作温度比普通背场太阳电池要高出10℃以上，因此其输出功率将因温度的升高而大打折扣。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决现有技术的硅太阳电池对红外光强烈吸收，导致工作温度高、输出功率大打折扣的问题，本发明的目的在于提供一种空间用硅太阳电池的带通滤波器。本发明利用光学薄膜的干涉作用提高对紫外光和红外光的反射，从而降低硅太阳电池在轨工作温度，提高在轨输出功率。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种空间用硅太阳电池的带通滤波器，该装置包括：
一层掺二氧化铈的抗辐照玻璃基体；在玻璃基体的上表面制备有紫外截止滤光片，在玻璃基体的下表面制备有红外截止滤光片。上述紫外截止滤光片由两种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[HL]12，共24层结构，其中：低折射率材料L采用SiO2，高折射率材料H采用Ta2O5。上述红外截止滤光片由三种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[MHML]10，共40层结构，其中低折射率材料L采用SiO2，中折射率材料M采用ZrO2，高折射率材料H采用TiO2。
本发明空间用硅太阳电池的带通滤波器，由于采取上述的技术方案，在玻璃盖片的上、下表面分别制备紫外截止滤光片和红外截止滤光片可以避免由于单面镀膜后因为膜层的应力作用导致玻璃基片产生变形。将紫外截止滤光片设计在玻璃基体的上表面，可以最大程度地减少玻璃材料对紫外光的吸收。本发明空间用硅太阳电池带通滤波器利用多层光学薄膜的干涉作用，在保证对硅电池可用光的高透过率的同时，尽可能地提高对紫外光和红外光的反射率，从而降低高效薄硅太阳电池的太阳吸收率。与采用MgF2减反射膜的普通玻璃盖片相比，该空间用硅太阳电池带通滤波器可在不影响电池转换效率的基础上有效降低太阳吸收率，提高高效薄硅太阳电池的在轨输出功率，使高效薄硅太阳电池真正具备空间实用价值。因此，本发明解决了现有技术的硅太阳电池对红外光强烈吸收，导致工作温度高、输出功率大打折扣的问题，取得了降低硅太阳电池的在轨工作温度，提高在轨输出功率的有益效果。
附图说明
图1为现有技术叠层太阳电池结构示意图；
图2为目前在空间广泛应用的普通玻璃盖片结构示意图；
图3为本发明空间用硅太阳电池带通滤波器的结构示意图；
图4为本发明紫外截止滤光片结构示意图；
图5为本发明红外截止滤光片结构示意图；
图6为本发明空间用硅太阳电池带通滤波器的透射光谱。
具体实施方式
为抵御空间环境下粒子辐照对电池造成损伤从而影响电池性能，一般在电池的上表面粘贴掺二氧化铈的抗辐照玻璃盖片制成叠层电池。图1为现有技术叠层太阳电池结构示意图。如图1所示，在太阳电池的上表面用黏合剂粘合一层抗辐照玻璃盖片。
图2为目前在空间广泛应用的普通玻璃盖片结构示意图，如图2所示，在玻璃基体的上表面蒸镀一层MgF2减反射膜，主要目的是为了提高玻璃盖片的透射率，从而进一步提高电池对400nm～1100nm范围内的太阳光的吸收利用，提高电池的输出功率。
但是，上述这些盖片或反射膜在400nm～2000nm的波长范围内其透射率均在90％以上，大部分红外光将直接入射到太阳电池上并被太阳电池吸收，因此采用上述技术方案无法对叠层电池的太阳电池吸收率进行有效的调节，尤其是采用了陷光结构的高效薄硅太阳电池，由于对红外光具有强烈的吸收，其太阳吸收率高达0.86以上，工作温度比普通背场太阳电池要高出10℃以上，因此，其输出功率将因温度的升高而大打折扣。
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种空间用硅太阳电池带通滤波器，覆盖在太阳电池的表面，将紫外和红外光反射回去，提高太阳电池的性能。下面结合附图说明本发明的优选实施例。
图3为本发明空间用硅太阳电池带通滤波器结构示意图，如图3的实施例所示，该装置包括：
一层玻璃基体，玻璃基体采用掺二氧化铈的抗辐照玻璃材料；在玻璃基体的上表面制备有紫外截止滤光片，在玻璃基体的下表面制备有红外截止滤光片。
制备时先在玻璃基体下表面蒸镀红外截止滤光片，将基体翻转180°后在玻璃基体的上表面蒸镀紫外截止滤光片。也可先蒸镀紫外截至滤光片、再蒸镀红外截至滤光片。
紫外截止滤光片和红外截止滤光片采用多层光学薄膜材料交替排列构成。其中紫外截止滤光片由两种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成，它在波长为250nm～350nm范围内呈现出高反射率(即截止带)，而在波长大于350nm的范围内呈现出高透射率，而红外截止滤光片由三种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成的短波通滤光片，它的截止带出现在大于1100nm的波段，而在波长为400nm～1100nm的范围内呈现出高透射率。保证通带宽度并抑制通带内的次波。
本发明空间用硅太阳电池带通滤波器的工作原理：太阳光入射到带通滤波器上时，首先紫外截止滤光片将250nm～350nm范围内的紫外光反射回去，而保证波长大于350nm的光能有效通过玻璃基体上表面，随后红外截止滤光片将波长大于1100nm的红外光反射回去，同时保证波长为400nm～1100nm的光能有效通过玻璃基体下表面，这样经过空间用硅太阳电池带通滤波器的过滤，绝大部分对电池光电转换过程有贡献的光可以顺利通过玻璃盖片而被电池吸收，大部分对电池光电转换效应无用的紫外光和红外光在入射到电池表面前就被有效反射，避免了电池吸收这些无用光造成工作温度上升而影响输出功率。
图4为本发明紫外截止滤光片的结构示意图，如图4的实施例所示，紫外截止滤光片由两种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[HL]12(共24层)结构，其中低折射率材料L采用SiO2，高折射率材料H采用Ta2O5，采用高真空电子束蒸发的方法进行制备，通过晶振膜厚控制仪实现对膜厚的精确控制。
图5为本发明红外截止滤光片的结构示意图，如图5的实施例所示，红外截止滤光片由三种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[MHML]10(共40层)结构，其中低折射率材料L采用SiO2，中折射率材料M采用ZrO2，高折射率材料H采用TiO2，采用高真空电子束蒸发的方法进行制备，通过晶振膜厚控制仪实现对膜厚的精确控制。
图6为本发明空间用硅太阳电池带通滤波器的透射光谱，对本发明空间用硅太阳电池带通滤波器的透射光谱进行测试的结果为：波长小于350nm的范围内透射率为0％，波长为400nm～1100nm的范围内透射率≥92％，波长为1250nm～1550nm的范围内透射率≤10％，薄硅电池在贴上本发明带通滤波器后其太阳吸收率≤0.76。
在薄硅电池贴上本发明空间用硅太阳电池带通滤波器制成叠层电池后，对叠层电池的太阳吸收率进行测试，测试结果如表1所示，
表1采用本发明的叠层太阳电池性能测试结果
Figure BSA00000438914500051
与采用普通玻璃盖片相比，采用本发明空间用硅太阳电池带通滤波器可使薄硅电池的在轨工作温度下降12℃，在轨输出功率提高4.1％。
由上所述，本发明的装置核心单元紫外截止滤光片和红外截止滤光片是由一系列光学薄膜材料交替排列构成的，其中紫外截止滤光片可以对波长为350nm以下的紫外光进行有效的截止，红外截止滤光片可以对波长为1100nm以上的红外光进行有效的截至，而整个带通滤波器对400nm-1100nm波长范围内的太阳光的透射率无影响，从而在不影响空间用硅太阳电池的转换效率的基础上，尽可能减小硅太阳电池对紫外光和红外光的吸收，可以有效降低硅太阳电池的在轨工作温度，提高在轨输出功率。

Claims (3)

1.一种空间用硅太阳电池的带通滤波器，其特征在于，该装置包括：
一层掺二氧化铈的抗辐照玻璃基体；在玻璃基体的上表面制备有紫外截止滤光片，在玻璃基体的下表面制备有红外截止滤光片。
2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述的紫外截止滤光片由两种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[HL]12，共24层结构，其中：低折射率材料L采用SiO2，高折射率材料H采用Ta2O5。
3.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述的红外截止滤光片由三种不同折射率的光学薄膜材料交替排列构成[MHML]10，共40层结构，其中低折射率材料L采用SiO2，中折射率材料M采用ZrO2，高折射率材料H采用TiO2。
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