CN114221621A - 基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，通过在恒温真空舱内搭建低温测试台的方式来实现太阳电池的低温辐照同步测量和原位表征。本发明低温辐照试验装置通过无油分子泵抽真空来模拟太空真空环境，同时保护了器件不受空气中的水汽影响；通过风冷压缩机降温来模拟太空低温环境；通过电子加速器发出的电子来模拟太空中的电子辐照；使用太阳模拟器发射光源进行光特性测试，从而为太阳电池空间可靠性的测试提供了低温、低光强、辐照的试验条件。
Description
技术领域
本发明涉及空间太阳电池试验技术领域，更具体的说是涉及一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法。
背景技术
太阳电池是航天器重要的供能部分之一，有望应用于深空探测活动的电力系统。木星、土星与他们的卫星是深空探测的重要目标星体。这些星体处于低温、低光强、强辐射的深空环境。其中，温度会影响多结太阳电池各结子电池带隙，导致太阳电池开路电压变化，同时，温度还会影响少数载流子寿命和扩散长度，从而导致太阳电池短路电流密度发生变化，而且，由于低温引起的少数载流子势垒和电阻限制复合效应等会对电池最大输出功率造成明显影响。光照强度同样会影响太阳电池的短路电流与开路电压。此外，空间环境既有极强的带电粒子辐射，这对太阳电池性能有着巨大考验。在这些因素下太阳电池的性能与地球环境下存在明显不同，而深空探测航天器载荷有限，因此正确评价极端环境下太阳电池的性能有助于减少供能单位的质量，对太阳电池的深空应用具有重要意义。
因此，如何正确评价极端环境下太阳电池的性能是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，采用低温辐照同步进行原位测试的方式对太阳电池进行光性能测试，克服了现有仪器设备不能实现对半导体器件低温、低光强、辐照同时测试的问题，提供了一种能在地面模拟出空间环境中低温、低光强、辐照的试验装置的试验方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，具体步骤如下：
步骤一：将恒温真空舱横向放置于电子加速器下方，所述电子加速器发射的电子束能打入所述恒温真空舱上面的光学窗口；无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪器均放置于辐照屏蔽箱内，各仪器均连接所述恒温真空舱，且所述风冷压缩机连接所述温度控制仪器；太阳模拟器放置于所述恒温真空舱侧面；辐射屏蔽箱远离电子加速器；
步骤二：太阳电池被测器件放置；将太阳电池被测器件固定于恒温真空舱的样品台之上，令所述太阳电池被测器件与垂直入射的所述电子束入射路径呈45°，即太阳电池被测器件与水平面呈45°，电子束入射路径垂直水平面；所述样品台引出导线至所述恒温真空舱外与测试设备相连；
步骤三：打开所述无油分子泵，将所述恒温真空舱抽真空；
步骤四：打开所述风冷压缩机和所述温度控制仪器，并在所述温度控制仪器设置额定温度；所述温度控制仪器可以根据所述恒温真空舱内所述温度传感器的反馈数据控制所述风冷压缩机打开或关闭；
步骤五：打开所述电子加速器发射设定注量的所述电子束进行电子辐照试验；
步骤六、校准太阳模拟器，将所述太阳模拟器发射的光路通过折射从所述恒温真空舱的侧面光学窗口引入恒温真空舱，进行光特性测试；光路平行于水平面。
优选的，所述无油分子泵与所述恒温真空舱通过波纹管连接；所述风冷压缩机与所述恒温真空舱通过液氮管连接；所述温度控制仪器通过导线与所述恒温真空舱内的温度传感器连接，且所述导线通过所述真空法兰连接所述温度控制仪器和所述恒温真空舱。连接温度控制仪器和恒温真空舱内温度传感器的导线通过真空法兰，能够保证恒温真空舱的密闭性，保证真空环境。
优选的，所述样品台上设置有PCB板，所述PCB板上设置有探针，在所述PCB板上固定所述太阳电池被测器件并与所述探针连接，所述探针通过所述真空法兰从所述恒温真空舱内引出导线与测试设备相连，与测试设备的测试线连接；所述恒温真空舱内还设置有冷头，所述样品台与所述冷头采用铜材料连接，所述冷头与所述液氮管连接。探针通过真空法兰从恒温真空舱内引出导线保证了恒温真空仓的密闭性；冷头与样品台采用铜材料连接能够实现快速制冷传导。
优选的，所述冷头上设置有电热丝，所述电热丝利用导线通过真空法兰与温度控制仪器连接。温度控制仪器根据采集的温度传感器的温度信息控制电热丝和风冷压缩机开启或关闭，从而实现温度调控。
优选的，所述电子加速器采用范德格拉夫起电机。
优选的，所述测试设备采用电学测试仪器。
优选的，所述风冷压缩机和所述温度控制仪器将所述恒温真空舱内温度控制在10K-300K范围内。
优选的，所述步骤六中校准太阳模拟器时使用太阳电池标准片进行管特性测试，调整光源强度，根据测试所得太阳电池标准片短路电流判断调整是太阳模拟器为标准光强。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，通过在真空恒温舱内搭建低温测试台的方式来实现太阳电池的低温辐照同步测量和原位表征。本发明低温辐照试验装置通过无油分子泵抽真空来模拟太空真空环境，同时保护了器件不受空气中的水汽影响；通过风冷压缩机降温来模拟太空低温环境；通过范德格拉夫起电机发出的电子束来模拟太空中的电子辐照；使用太阳模拟器发射光源进行光特性测试，从而为太阳电池空间可靠性的测试提供了低温、低光强、辐照的试验条件。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的太阳电池低温辐照综合试验装置示意图；
图2附图为本发明提供的电子束和光路传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，在某省科学院物理技术所的现有电子加速器基础上，应用无液氦光学窗口低温恒温器，形成真空低温环境，最终实现待测太阳电池低温辐照综合试验。具体的技术途径为，首先通过无液氦光学窗口低温恒温器形成真空低温环境，再将电子束通过钛窗照射到太阳电池上进行电子辐照试验，将光源从侧窗引入，测试光特性。
本发明的基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，试验在电子辐照舱室内进行，恒温真空舱、电子加速器、辐射屏蔽箱、太阳模拟器和测试设备均设置于电子辐照舱室内，具体步骤如下：
S1：根据太阳电池尺寸设计PCB板，安装探针与测试线线；PCB板固定在恒温真空舱内的样品台上；样品台上连接有冷头；
S2：将恒温真空舱横置，舱头部的光学钛窗口正对电子加速器下方，确保电子束能透过钛窗照到舱内太阳电池表面，将太阳电池呈45°固定在与冷头相连的样品台上；通过漆包线(导线)将探针与测试线相连，测试线经真空法兰连接至测试设备，确认无断触后即可关闭舱门；
S3：将无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪器置于辐照屏蔽箱内，防止电子辐照对仪器设备的损坏；无油分子泵与恒温真空舱通过波纹管连接；风冷压缩机与恒温真空舱通过液氮管连接；温度控制仪器通过导线与恒温真空舱内的温度传感器连接，且导线通过真空法兰连接温度控制仪器和恒温真空舱；液氮管连接冷头；打开无油分子泵，将恒温真空舱抽成真空，量级约为10-3～10-4Pa；
抽真空的目的：一是为了模拟太空中的真空环境，二是防止空气中的水汽附着在太阳电池上；
S4：达到真空度要求后即可开启风冷压缩机降温，通过温度控制仪器进行温度调节，温度范围可以控制在10K～300K；
温度控制原理：使用热电偶温度计监控温度，风冷压缩机给冷头持续降温，通过铜管将温度传给样品台；由于风冷压缩机是只能制冷，所以在冷头上装上了电热丝，如果温度低于设定温度，电热丝自动开启，实现升温，通过冷头和电热丝相互配合工作，可将温度长时间稳定在设定温度；
S5：达到设定温度后，人员退出电子辐照舱室，通过设置的与加速器电连接的加速器控制台的操作控制进行辐照试验；
S6：待辐射注量达到预计数值，停止辐射，人员进入电子辐照舱室，对太阳模拟器光源进行校准后，将太阳模拟器光源发射的光路从侧窗引入，并通过电学源表测试光照下太阳电池输出的电流，测试太阳电池光性能，至此，低温试验、电子辐照试验同时进行，并实现了原位光特性测试。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：将恒温真空舱横向放置于电子加速器下方，所述电子加速器发射的电子束能打入所述恒温真空舱上面的光学窗口；无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪器均放置于辐照屏蔽箱内，各仪器均连接所述恒温真空舱，且所述风冷压缩机连接所述温度控制仪器；太阳模拟器放置于所述恒温真空舱侧面；
步骤二：太阳电池被测器件放置；将太阳电池被测器件放置于所述恒温真空舱内的样品台上，令所述太阳电池被测器件与所述电子束入射路径呈45°，所述样品台引出导线至所述恒温真空舱外与测试设备相连；
步骤三：打开所述无油分子泵，将所述恒温真空舱抽真空；
步骤四：打开所述风冷压缩机和所述温度控制仪器，并在所述温度控制仪器设置额定温度；
步骤五：打开所述电子加速器发射设定注量的所述电子束进行电子辐照试验；
步骤六、校准太阳模拟器，将所述太阳模拟器发射的光路从所述恒温真空舱的侧面光学窗口引入恒温真空舱，进行光特性测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述无油分子泵与所述恒温真空舱通过波纹管连接；所述风冷压缩机与所述恒温真空舱通过液氮管连接；所述温度控制仪器通过导线与所述恒温真空舱内的温度传感器连接，且所述导线通过所述真空法兰连接所述温度控制仪器和所述恒温真空舱。
3.根据权利要求2所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述样品台上设置有PCB板，所述PCB板上设置有探针，在所述PCB板上固定所述太阳电池被测器件并与所述探针连接，所述探针通过所述真空法兰从所述恒温真空舱内引出导线与测试设备相连；所述恒温真空舱内还设置有冷头，所述样品台与所述冷头连接，所述冷头与所述液氮管连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述冷头上设置有电热丝，所述电热丝利用导线通过真空法兰与温度控制仪器连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述电子加速器采用范德格拉夫起电机。
6.根据权利要求1所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述测试设备采用电学测试仪器。
7.根据权利要求1所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述风冷压缩机和所述温度控制仪器将所述恒温真空舱内温度控制在10K-300K范围内。
8.根据权利要求1所述的一种基于低温辐照试验装置的太阳电池低温原位辐射试验方法，其特征在于，所述步骤六中校准太阳模拟器时使用太阳电池标准片进行管特性测试，调整光源强度，根据测试所得太阳电池标准片短路电流判断调整是太阳模拟器为标准光强。
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