CN108333660B - 一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，包括：计算出三结太阳电池的Ge结子电池在工作波段所需的梯度衰减系数；设计所述红外梯度衰减滤光片的层状结构；在所述玻璃盖片表面沉积薄膜。本申请的有益效果是：在不影响太阳电池的整体输出性能的前提下能够有效降低太阳电池的吸收系数，从而降低电池在轨温度，提高在轨工作效率；能够针对太阳电池各个子电池的短路电流的实际数值来调整红外波段的梯度衰减系数，具有较强的实用性和应用前景。

Description

一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法

技术领域

本申请属于光学薄膜技术领域，具体地说，涉及一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法。

背景技术

目前人造卫星、飞船、空间站等航天器均利用太阳电池来获得持续运行的能量。为了保护太阳电池免受宇宙空间中的高能射线和带电粒子的辐射和轰击，延长太阳电池的使用寿命，常在太阳电池表面贴有抗辐照玻璃盖片。该玻璃盖片掺有二氧化铈，能够有效吸收紫外波段的射线及粒子，从而大大降低了辐照对太阳电池效率的影响。

太阳光谱的辐照强度主要分布在200nm-2500nm之间，空间用三结砷化镓太阳电池的有效工作波长为300nm-1800nm。其他波段的太阳光被电池组件吸收后对电池的输出功率没有贡献，只会转换成热量而使电池组件的整体温度升高。太阳电池的工作状态与其温度直接相关，温度每提高1℃，其输出功率将减少0.5%。因此为了尽可能的提高太阳电池组件的在轨功率，应尽量避免或减少对无贡献波段阳光的吸收，尤其是红外波段光线的吸收。

目前空间用主流的太阳电池是以砷化镓为主要材料的三结太阳电池，其在AM0光谱下的光电转换效率可达30%。太阳电池的主体结构是由GaInP结、GaAs结和Ge结共三个PN结串联而成的，其典型的外量子效率曲线如图1所示。三结太阳电池的开路电压受三个结的响应波段的影响，响应波段越宽开路电压越大；三结太阳电池的短路电流和电池对工作波段内阳光的吸收有关，吸收的阳光越多电流越大，而且太阳电池的短路电流是由三个PN结中短路电流最小的PN结所决定的。在实际使用过程中，Ge结所能提供的短路电流往往要比其他两个结大出许多，其有效吸收波段在800nm至1800nm之间，因此可以通过在玻璃盖片表面制备红外梯度衰减薄膜的方法适当降低Ge结光电流，在确保电池输出功率不变的情况下尽可能的降低电池整体的吸收系数。

中国专利（公告号为CN203659887U）一种用于空间三结砷化镓太阳电池的红外截止滤光片，所涉及的红外截止滤光片，是在玻璃盖片表面制备了多层的干涉膜后获得的。干涉膜的高低折射率材料交替沉积而成，共计14层，主要实现了1200nm-1600nm波段的透射截止。

但是这种红外截止滤光片在1200nm-1600nm波段的透射截止会影响到Ge结的开路电压和短路电流的输出，使得太阳电池整体开路电压和效率降低，因此上述的红外截止滤光片并不适用于响应波段在300nm-1800nm的高效三结砷化镓太阳电池。

对红外波段梯度衰减的滤光片便可以解决上述问题，在不改变太阳电池的整体响应波段的同时，适当降低太阳电池在红外波段的吸收率，使三个PN结的短路电流大致相同，从而降低太阳电池组件的吸收系数。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片及其制备方法，能够有效降低太阳电池的吸收系数，从而降低电池在轨温度，提高在轨工作效率。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种空间用玻璃盖片渐变折射率增透膜的制备方法，并采用以下技术方案来实现。

一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片，包括玻璃盖片，所述玻璃盖片表面配设2n层薄膜，所述n为正整数；所述2n层薄膜由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替构成。

进一步的，所述高折射率薄膜的材料包括TiO₂。

进一步的，所述低折射率薄膜的材料包括MgF₂。

一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，步骤包括：

S1：测量三结砷化镓太阳电池的外量子效率，得到目标太阳电池的GaInP结、GaAs结和Ge结三个子电池在AM0下的短路电流输出值I_GaInP、I_GaAs、I_Ge；

S2：计算红外梯度衰减滤光片在1000nm-1800nm范围内的梯度衰减系数η(λ)，η(λ)是一个和波长相关的系数，通过GaAs结和Ge结子电池的电流计算得到，具体可表达为：

S3：梯度衰减系数η(λ)决定了红外梯度衰减滤光片的透射率曲线，以400nm-1000nm透射率为100%，1000nm-1800nm透射率呈固定斜率衰减进行膜层设计，所述膜层由非周期的高折射率材料和低折射率材料交替组成，所述膜层厚度为2n层。

S4：根据所述膜层设计，在玻璃盖片表面进行沉积，得到所述红外梯度衰减滤光片。

进一步的，所述S2中设计红外梯度衰减滤光片的具体要求为完成的滤光片在顶结和/或中间结的工作波段内具有90%以上的透射率，在底结的工作波段内的透射率呈梯度衰减。

进一步的，所述梯度衰减为固定斜率的梯度衰减。

进一步的，在所述玻璃盖片表面沉积的所述膜层的层数为2n层，所述n为正整数。

进一步的，所述膜层的沉积方式是电子束热蒸发的方式。

更进一步的，采用离子源辅助沉积技术进行所述膜层的辅助沉积。

再进一步的，所述离子源辅助沉积技术的辅助惰性气体为氩气。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：在不影响太阳电池的整体输出性能的前提下能够有效降低太阳电池的吸收系数，从而降低电池在轨温度，提高在轨工作效率；能够针对太阳电池各个子电池的短路电流的实际数值来调整红外波段的梯度衰减系数η(λ)，具有较强的实用性和应用前景。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是典型空间用三结砷化镓太阳电池样品的外量子效率（EQE）测试曲线。

图2是本申请一个实施例的滤光片表面沉积的膜层结构示意图。

图3是本申请一个实施例的红外梯度衰减滤光片的使用效果图。

图4是本申请一个实施例的红外梯度衰减滤光片透射率曲线。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

利用市面上的光谱响应测试系统对三结砷化镓太阳电池的外量子效率（EQE）进行测试，得到太阳电池对不同波长光线的响应率，以及GaInP结、GaAs结和Ge结三个子电池在AM0下的短路电流的输出值。一般情况下，GaInP结、GaAs结的短路电流较为一致，而Ge结短路电流则要大得多，根据Ge结短路电流与其他两个结短路电流的相对数值，计算出Ge结子电池在工作波段1000nm-1800nm波段所需的梯度衰减系数η(λ)，表达式如下，其中I_GaAs是中间结的短路电流，I_Ge是底结的短路电流：

因为中间结GaAs的响应波段可达900nm～920nm，为了尽可能的避开对中间结电池的影响，Ge结子电池在工作波段从1000nm开始计算。

根据计算出的梯度衰减系数η(λ)设计红外梯度衰减滤光片，在所述S2中设计红外梯度衰减滤光片的具体要求为完成的滤光片在顶结（GaInP）和中间结（GaAs）的400nm-1000nm工作波段范围内具有良好的透射效果能够达到90% 以上的透射率；在底结（Ge）的1000nm-1800nm工作波段范围内的透射率呈固定斜率的衰减。滤光片表面的薄膜由高折射率材料构成的薄膜H和低折射率材料构成的薄膜L交替沉积而成，其结构为<HL>_n，高折射率材料H选取的是TiO₂，630nm波长下标准折射率为2.20，低折射率材料L选取的是MgF₂，630nm波长下标准折射率为1.38，盖片表面的膜层结构如图2所示，膜层的层数和厚度均是和衰减斜率相关度。

根据设计的衰减滤光片结构，利用电子束热蒸发的方式在玻璃盖片表面依次沉积共计2n层薄膜。为了提高薄膜的沉积质量，保证沉积厚度与设计值一致，在沉积过程中使用离子源辅助沉积技术进行膜层辅助沉积。辅助惰性气体为氩气，气体被电离后形成离子，离子被电场加速后向玻璃盖片轰击。离子轰击给膜料粒子提供足够的动能使之到达玻璃盖片，从而提高淀积粒子的迁移率，增加膜层聚集密度，填充膜内空隙缺陷。

将制备好的红外梯度衰减滤光片粘贴在三结砷化镓太阳电池表面，实现降低太阳电池整体吸收系数的效果，效果图如图3所示。

为了能进一步了解本发明的内容特点，特举出以下具体实施例以便更详细进行说明：

（一）以三结砷化镓太阳电池样品为例，测量样品电池的外量子响应效率，计算出各个子电池在AM0光照条件下的短路电流输出情况如表1所示：

表1

（二）根据电池对不同波长的频谱响应计算出1000nm-1800nm范围内的透射率呈固定斜率衰减，针对样品太阳电池，要求1000nm-1800nm波段内的透射率衰减斜率约为-0.1%/nm。

（三）根据400nm-1000nm透射率100%，1000nm-1800nm透射率衰减斜率-0.1%nm的要求设计滤光片，滤光片表面多层膜层厚度如表2所示：

表2

滤光片透射率曲线如图4所示。

（四）将清洗后的抗辐照玻璃盖片放入真空室内，利用电子束热蒸发的方式在盖片表面沉积32层薄膜。真空室内烘烤加热至120℃，预沉积时真空室真空度为1.0×10^-3Pa。沉积过程中使用离子源进行辅助沉积，介质气体为氩气，离子能量80eV，束流5A。薄膜按照H1、L1、H2、L2……H16、L16的顺序依次进行沉积，其中选取TiO₂作为高折射率材料H，折射率控制在2.20±0.05；选取MgF₂作为低折射率材料L，折射率控制在1.38±0.02。

（五）将制备好的红外梯度衰减滤光片粘贴在样品电池表面，重新测量太阳电池的外量子效率EQE，结果如表3所示：

表3

根据GJB7392-2011标准中要求测量电池组件的吸收系数为0.78，相比粘贴普通盖片的电池组件0.89的吸收系数低了0.11，理论上降低在轨温度11℃，提升在轨工作效率5.5%。

本申请的有益效果是：在不影响太阳电池的整体输出性能的前提下能够有效降低太阳电池的吸收系数，从而降低电池在轨温度，提高在轨工作效率；能够针对太阳电池各个子电池的短路电流的实际数值来调整红外波段的衰减斜率（梯度斜率），具有较强的实用性和应用前景。

以上对本申请实施例所提供的一种空间用玻璃盖片渐变折射率增透膜的制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，不同厂商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包含”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，步骤包括：

S1：测量三结砷化镓太阳电池的外量子效率，得到目标太阳电池的GaInP结、GaAs结和Ge结三个子电池在AM0下的短路电流输出值I_GaInP、I_GaAs、I_Ge；

S2：计算红外梯度衰减滤光片在1000nm-1800nm范围内的梯度衰减系数η(λ)，η(λ)是一个和波长相关的系数，通过GaAs结和Ge结子电池的电流计算得到，具体可表达为：

S3：梯度衰减系数η(λ)决定了红外梯度衰减滤光片的透射率曲线，以400nm-1000nm透射率为100%，1000nm-1800nm透射率呈固定斜率衰减进行膜层设计，所述膜层由非周期的高折射率材料和低折射率材料交替组成，所述膜层厚度为2n层；

S4：根据所述膜层设计，在玻璃盖片表面进行沉积，得到所述红外梯度衰减滤光片。

2.根据权利要求1所述空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，其特征在于：所述S2中，所述I_GaAs是GaAs结子电流，I_Ge（λ）是1000nm-1800nm范围内不同波长下Ge结的子电流。

3.根据权利要求1或2所述空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，其特征在于：所述膜层的沉积方式是电子束热蒸发的方式。

4.根据权利要求3所述空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，其特征在于：采用离子源辅助沉积技术进行所述膜层的辅助沉积。

5.根据权利要求4所述空间用太阳电池红外梯度衰减滤光片的制备方法，其特征在于：所述离子源辅助沉积技术的辅助惰性气体为氩气。

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