CN112408810B - 一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法，所述激光防护玻璃盖片的膜层结构为G│0.52M 0.92H(MH)*n 0.88M 0.84H 0.48L│A，其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。本申请提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法中的激光防护玻璃盖片在400nm～900nm范围内具有较高的透射率，能够满足三结砷化镓太阳电池顶结子电池和中间结子电池的电流输出；按照设计要求选择不同周期的膜层结构，可以实现对1064nm激光不同的反射效果；由于反射峰的半高宽小于200nm，使得三结砷化镓太阳电池的底结子电池电流衰减较小，不会明显降低电池的输出效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，激光器的输出功率也在不断提高，激光迅速成为一种具有直接杀伤力的武器。激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据发射激光的工作物质状态的不同，可分固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。激光具有很好的方向性，发散角非常小，通常在毫弧度量级(mrad)，因此激光武器能够实现远距离精准打击，其攻击范围可达数十甚至数百千米。
激光武器对于目标的破坏效应主要包括以下几种：一是烧蚀效应，二是激波效应，三是辐射效应。这几种激光武器的破坏效应已被广泛运用于防空、反坦克、反导弹等方面。激光武器命中目标后，会造成目标功能的短暂或永久性失效，在现代战场上具有效率高、响应快的优点。美国目前已发展了机载、舰载、车载、天基和地基等激光武器，更研制出了在宇宙空间中运行的激光战斗卫星，对空间轨道中的人造卫星等航天器造成重大威胁。
激光武器对人造卫星的破坏效果可分为两种，一种是对重点元器件的破坏，如某些光学元件或灵敏度较高的探测系统，被破坏后会使得卫星的重点功能失效。另一种是对能源系统的破坏，即对卫星太阳电池翼的破坏。太阳电池是人造卫星等航天器的主要能量来源，当人造卫星在轨运行时，完全展开的太阳电池翼面积是卫星主机部分的数倍甚至十数倍，因此太阳电池翼也是激光武器的主要攻击对象。一旦激光对太阳电池阵造成热蚀破坏，必然会造成电池阵断路，使得局部失效或整体失效，最终导致卫星失去电力供应，无法正常工作甚至失控坠毁。
为了确保我国卫星的在轨运行安全，迫切地需要对卫星、尤其是卫星太阳电池的激光防护加固措施展开深入研究。由于卫星太阳电池需要持续接收太阳光以产生电能，因此无法采用遮蔽的手段对卫星太阳电池实现激光防护；宇宙空间中是真空环境，激光传输过程几乎不存在衰减，也不会发生偏折，这一切都使得太阳电池的激光防护变得十分困难。
在中国发明专利1(申请号201610539208.X)中提出了一种方式，在卫星太阳电池的抗辐射玻璃盖片表面依次采用双靶共溅射工艺制备二氧化硅和纳米二氧化钒作为复合激光防护层,采用蒸镀工艺制备氟化镁作为增透层。该发明所述的激光防护薄膜在常态下的可见光透过率约为60％,红外波段透过率为65％～80％,分别采用532nm、1.06um、3.3um三个波段激光照射后,激光透过率下降为16％。
在中国发明专利2(申请号201811283491.X)中提出了一种方式，在k9玻璃两侧表面上分别沉积四波段分光薄膜A(膜系结构：Sub/(L 2H L)m(0.8L 1.6H 0.8L)m/Air，8<m<24)和四波段分光薄膜B(膜系结构：Sub/(2L 4H 2L)n/Air，8<n<24)。高折射率薄膜材料H为Ta2O5,低折射率薄膜材料L为SiO2。该发明能降低防护窗口的应力,实现多波段卫星激光防护窗口的设计。
但是上述的两项专利均存在一定的缺点和不足，目前卫星所使用的主流太阳电池为三结砷化镓太阳电池，响应波段范围为300nm～1800nm。此种太阳电池配套使用的抗辐照玻璃盖片表面以氟化镁作为减反射膜层，盖片透过率约为97％～98％(不考虑背反射)。若是采用专利1中的复合膜层，可见光范围内的透过率仅约60％，这就使得卫星的在轨输出功率大大降低，无法满足卫星载荷的供电需求。
另一方面，三结砷化镓太阳电池由三个子电池串联而成，顶结子电池响应波段300nm～750nm，中间结子电池响应波段500nm～900nm，底结子电池响应波段900nm～1800nm。底结子电池的光生电流较大，电池的电流输出主要由顶结子电池和中间结子电池决定。专利2中的复合膜层在532nm、875nm处存在高反射峰，对1000nm～1500nm波段光线也有较大的衰减，若在三结砷化镓太阳电池表面粘贴镀有此种薄膜的玻璃盖片，电池功率输出会大大降低。而且该膜层的总厚度约为23μm，加工的难度较高，不适合批量生产。
因此需要设计一种空间太阳电池专用的激光防护玻璃盖片，在提高太阳电池激光防护阈值的同时确保太阳电池的在轨输出。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，所述激光防护玻璃盖片的膜层结构为G│0.52M 0.92H (MH)*n 0.88M 0.84H 0.48L│A，其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。
优选地，Al2O3膜层的折射率为1.58±0.05。
优选地，Al2O3膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
优选地，HfO2膜层的折射率为1.85±0.05。
优选地，HfO2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
优选地，MgF2膜层的折射率为1.38±0.02。
优选地，MgF2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
本发明还提供了一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法，所述空间太阳电池用激光防护玻璃盖片包括如上述中任一所述的空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，所述方法包括步骤：
对抗辐照玻璃盖片进行化学清洗处理；
将所述抗辐照玻璃盖片固定在工件盘上；
将所述工件盘固定在真空镀膜机内；
待所述真空室抽真空至2×10-3Pa时进行温度范围为150℃±10℃的预烘烤；
恒温10分钟后开启霍尔离子源进行银箔表面的预清洁；
向所述真空室通入工作气体氩气，并控制所述真空室内压强在1.5×10-2Pa～2.5×10-2Pa；
设置所述霍尔离子源的阳极加速电压160V～240V，电子束流3.5A～5.5A，所述工件盘旋转速度为5r/min～8r/min，预处理5min-10min后按照G│0.52M 0.92H (MH)*n 0.88M0.84H 0.48L│A的膜层结构在所述抗辐照玻璃盖片上进行膜层蒸镀；
其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。
优选地，当进行Al2O3膜层和HfO2膜层蒸镀过程中，通入反应气体氧气，氧气流量为25sccm～35sccm。
优选地，Al2O3膜层和MgF2膜层的沉积速率为
HfO2膜层的沉积速率为
本申请提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法中的激光防护玻璃盖片在400nm～900nm范围内具有较高的透射率，能够满足三结砷化镓太阳电池顶结子电池和中间结子电池的电流输出；按照设计要求选择不同周期的膜层结构，可以实现对1064nm激光不同的反射效果；由于反射峰的半高宽小于200nm，使得三结砷化镓太阳电池的底结子电池电流衰减较小，不会明显降低电池的输出效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的结构示意图；
图2是本发明提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的膜层总数为11层时的透射率曲线；
图3是本发明提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的膜层总数为23层时的透射率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，所述激光防护玻璃盖片的膜层结构为G│0.52M 0.92H (MH)*n 0.88M 0.84H 0.48L│A，其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。
在本申请实施例中，Al2O3膜层的折射率为1.58±0.05，Al2O3膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
在本申请实施例中，HfO2膜层的折射率为1.85±0.05，HfO2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
在本申请实施例中，MgF2膜层的折射率为1.38±0.02，MgF2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。在本申请实施例中，n的具体值可根据对1064nm激光的防护需求进行设计，n越大，膜层对1064nm激光的反射率越高，膜层厚度也越大。当n＝3时，激光防护盖片透射率曲线如图2所示，此时膜层厚度约1.50μm，对1064nm激光反射率大于50％；当n＝9时，激光防护盖片透射率曲线如图3所示，此时膜层厚度约3.35μm，对1064nm激光反射率大于90％。
在本申请实施例中，本发明还提供了一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法，所述空间太阳电池用激光防护玻璃盖片包括如图1中所述的空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，所述方法包括步骤：
对抗辐照玻璃盖片进行化学清洗处理；
将所述抗辐照玻璃盖片固定在工件盘上；
将所述工件盘固定在真空镀膜机内；
待所述真空室抽真空至2×10-3Pa时进行温度范围为150℃±10℃的预烘烤；
恒温10分钟后开启霍尔离子源进行银箔表面的预清洁；
向所述真空室通入工作气体氩气，并控制所述真空室内压强在1.5×10-2Pa～2.5×10-2Pa；
设置所述霍尔离子源的阳极加速电压160V～240V，电子束流3.5A～5.5A，所述工件盘旋转速度为5r/min～8r/min，预处理5min-10min后按照G│0.52M 0.92H (MH)*n 0.88M0.84H 0.48L│A的膜层结构在所述抗辐照玻璃盖片上进行膜层蒸镀；
其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。
在本申请实施例中，当进行Al2O3膜层和HfO2膜层蒸镀过程中，通入反应气体氧气，氧气流量为25sccm～35sccm。
在本申请实施例中，Al2O3膜层和MgF2膜层的沉积速率为
HfO2膜层的沉积速率为
下面以具体实施例对本申请提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法进行描述，具体步骤如下：
(1)对抗辐照玻璃盖片经过化学清洗处理，去除表面的有机沾污和无机杂质；
(2)将抗辐照玻璃盖片固定在工件盘上，工件盘固定在真空镀膜机内；
(3)关闭真空室舱门，抽真空至2×10-3Pa时进行温度范围为150℃的预烘烤；
(4)恒温10分钟后开启霍尔离子源进行银箔表面的预清洁；
(5)通入工作气体氩气，真空室内压强为2.0×10-2Pa，设置霍尔离子源阳极加速电压为200V，电子束流为4.5A，工件盘旋转速度为6r/min；
(6)离子源起辉后预处理8min后按照G│0.52M 0.92H (MH)^9 0.88M 0.84H 0.48L│A的膜层结构开始进行蒸镀，膜层总厚度为3.35μm，参考波长1064nm；
(7)蒸镀过程中，离子源继续保持工作状态；Al2O3和HfO2膜层蒸镀过程中，氧气流量为30sccm。Al2O3和MgF2膜层的沉积速率为
HfO2膜层的沉积速率为
(8)蒸镀结束后冷却30min，打开真空室，取出激光防护盖片。
通过上述方式制备的激光防护玻璃盖片对1064nm激光反射率大于90％，粘贴在三结砷化镓太阳电池表面，电池效率衰降小于8％(相对值)。
本申请提供的一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片及其制备方法中的激光防护玻璃盖片在400nm～900nm范围内具有较高的透射率，能够满足三结砷化镓太阳电池顶结子电池和中间结子电池的电流输出；按照设计要求选择不同周期的膜层结构，可以实现对1064nm激光不同的反射效果；由于反射峰的半高宽小于200nm，使得三结砷化镓太阳电池的底结子电池电流衰减较小，不会明显降低电池的输出效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (4)
1.一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，其特征在于，所述激光防护玻璃盖片的膜层结构为G│0.52M 0.92H(MH)*n 0.88M 0.84H 0.48L│A，其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数；
其中，Al2O3膜层的折射率为1.58±0.05；Al2O3膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm；HfO2膜层的折射率为1.85±0.05；HfO2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm；MgF2膜层的折射率为1.38±0.02；MgF2膜层为1/4光学厚度，参考波长为1064nm。
2.一种空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法，其特征在于，所述空间太阳电池用激光防护玻璃盖片包括如权利要求1中所述的空间太阳电池用激光防护玻璃盖片，所述方法包括步骤：
对抗辐照玻璃盖片进行化学清洗处理；
将所述抗辐照玻璃盖片固定在工件盘上；
将所述工件盘固定在真空镀膜机内；
待所述真空室抽真空至2×10-3Pa时进行温度范围为150℃±10℃的预烘烤；
恒温10分钟后开启霍尔离子源进行银箔表面的预清洁；
向所述真空室通入工作气体氩气，并控制所述真空室内压强在1.5×10-2Pa～2.5×10- 2Pa；
设置所述霍尔离子源的阳极加速电压160V～240V，电子束流3.5A～5.5A，所述工件盘旋转速度为5r/min～8r/min，预处理5min-10min后按照G│0.52M 0.92H(MH)*n 0.88M0.84H 0.48L│A的膜层结构在所述抗辐照玻璃盖片上进行膜层蒸镀；
其中，G表示抗辐照玻璃盖片，M表示Al2O3膜层，H表示HfO2膜层，L表示MgF2膜层，A表示空气，n为正整数。
3.根据权利要求2所述的空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法，其特征在于，当进行Al2O3膜层和HfO2膜层蒸镀过程中，通入反应气体氧气，氧气流量为25sccm～35sccm。
4.根据权利要求2所述的空间太阳电池用激光防护玻璃盖片的制备方法，其特征在于，Al2O3膜层和MgF2膜层的沉积速率为
HfO2膜层的沉积速率为
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