第33卷第1期2007年1月
光学技术
OPTICAL TECHN IQU E
Vol.33No.1
Jan. 2007
文章编号:100221582(2007)0120089203
杨林华，范宁
(北京卫星环境工程研究所，北京 100094)
摘 要：建立了模拟空间环境下的紫外加速寿命试验装置，对太阳电池进行紫外加速寿命试验技术研究，获得了太阳电池开路电压随着紫外辐照时间的变化数据。通过试验数据处理，获得了太阳电池开路电压随着等效紫外辐照时间的衰减规律，采用加严判据理论，预测了紫外辐照环境下的电池寿命， 研究紫外辐射对太阳电池的损伤规律。模拟空间环境下的太阳电池紫外加速寿命试验，可以在较短时间内获得紫外辐射对太阳电池的损伤规律，为长寿命卫星的可靠性提供了参考。
关键词：太阳电池；紫外辐射；加速寿命试验；太阳模拟器
中图分类号:V417+.6;T K514 文献标识码:A
T echnical study of the ultraviolet acceleration lifetime test for solar b atteries
Y ANGLin-hua,FAN Ning
(Beijing Institute of S pacecraft Environment Technology,Beijing 100094,China) Abstract:The equipment of ultraviolet acceleration lifetime test(UAL T)was set up.Through technical study of the UAL T for solar batteries in simulated s pace environment,the attenuation regularity of solar batteries open-circuit voltage in e2 quivalent ultraviolet irradiation time was acquired.According to stricter criterion theory,the lifetime of solar batteries in the en2 vironment of ultraviolet radiation was got.The study can acquire the damage law of the ultraviolet radiation on solar batteries much quickly,which provide the reference to the reliability of long-life satellite.
K ey w ords:solar batteries;ultraviolet radiation;acceleration lifetime test;solar simulator
原子核物理学
0 引 言
太阳紫外辐射的能量虽然只占太阳总能量的8.73%，其空间积累效应却不容忽视。长寿命卫星在轨运行期间，紫外辐射剂量的不断累积使得卫星太阳电池输出功率逐渐下降，导致卫星运行中出现故障，最终影响卫星寿命。因此，有必要对太阳电池进行紫外加速寿命试验研究，在短时间内获取紫外辐射对太阳电池的损伤规律，预知其寿命指标，以保证长寿命卫星的可靠性。
美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和美国国防部联合利用CRRES(释放和辐射综合效应卫星)承担研究近地空间环境的电子、粒子和紫外辐射情况[1]。CRRES运行在轨道倾角为18.1°、近地点334km、远地点33604km的大椭圆轨道上，试验试件选用G aAs/G e太阳电池，文献[1]给出了CRRES 在15个月运行过程中G aAs/G e太阳电池寿命随轨道圈数的衰减规律。
地面模拟试验是除空间暴露试验外应用非常广泛的研究方法，为了节省试验时间，常采用加速试验的方法。因此，可以缩短试验时间的地面模拟加速试验得到越来越广泛地应用。NASA曾委托J PL试验室进行太阳紫外损害加速试验[2]。J PL试验室用3～8个紫外太阳常数的紫外源，在不同的温度条件下，对太阳电池进行加速寿命试验，通过监测Si太阳电池开路电压的变化，研究紫外辐射对太阳电池的损伤机理。
本文通过建立空间环境下太阳电池紫外加速寿命试验的模拟装置对太阳电池进行紫外加速寿命试验，
获得了试验测量数据，对试验数据采用加严判据分析方法研究，得到了一些有意义的结论。
1 试验装置和技术参数
太阳电池紫外加速寿命试验在直径800mm、长1200mm的空间环境模拟器中进行。试验装置由真空容器、高辐照度太阳紫外辐射源、试件安装转台、太阳模拟器和数据采集测试系统等组成，如图1所示。太阳电池试件安装在环境模拟器内的转台上，太阳紫外辐照源、太阳模拟器分别对准真空容器两端的窗口。紫外辐照源为试件提供紫外加速辐
98
Ξ收稿日期:2006201211 E2m ail:ylh1357@yahoo
作者简介：杨林华(1962-)，女，山东人，北京卫星环境工程研究所高级工程师，硕士，从事遥感器辐射定标、空间太阳辐照研究。
照，太阳模拟器用于测量太阳电池片的开路电压。
图1 模拟空间环境下太阳
电池紫外加速寿命试验装置
高辐照度紫外辐射源是本试验顺利完成的关键设备，其技术指标见表1；太阳模拟器可为试件提供1个太阳常数的辐照，用于
测量经过紫外辐照后太阳电池的
开路电压，其技术指标见表2；利用紫外辐照度监测系统定期测量紫外辐照度的相对变化值，以保证紫外辐照度的计算精度；太阳电池试件选用G aAs/G e 太阳电池和Si 太阳电池；测试系统采用HP34970A 数据采集系统，该系统可同时测量16个通道，测试参数可以是电流、电压或温度；测温元件选用铜—康铜热电偶。利用试件安装转台可实现原位测量，每次测量均在同一平衡温度下进行。
表1 高辐照度紫外辐射源性能参数
名称辐射面积/mm 波长范围/nm 辐照面不均匀度辐照不
稳定度辐照度
/(mW/cm 2)数据
<80
250～400
±3%
±1%
0～14.2
表2 太阳模拟器性能参数
名称辐射面积/mm 波长范围/nm 辐照面不
均匀度辐照不
稳定度辐照度
/S 0数据
<80
250～2500
±2%
±1%
0.5～1.5
2 试验方法
2.1 加速因子的选择
等效加速寿命试验前提是保证产品的失效机理
与使用过程的失效机理一致，因此，设计合理的寿命试验条件，选择适当的加速因子，对试验结果的真实性、合理性起着致关重要的作用。
华罗庚优选法按照美国标准ASTM E512，建议紫外加速试验的加速因子不大于3倍。而美国战略研究中心认为紫外加速试验可以达到30倍，如美国J PL 的紫外辐照源能达到30个紫外太阳常数，并利用它分别在3、6、8个紫外太阳常数、不同的温度条件对太阳电池进行加速寿命试验，通过监测硅光电池的短路电流和开路电压的变化，研究紫外辐射对太阳电池的损伤机理。
根据我们设备的特点，加速因子为10。通过不同加速因子下的试验数据，分析不同加速因子下卫星产品性能退化因子，采用数理统计的方法，预示产品的寿命。2.2 紫外总辐照量的确定按照紫外辐照的
积累效应，长寿命卫星在轨运行15年，若地球同步轨道卫星每天被太阳辐照的时间为12h ，其总辐照时间为65700h ，以10倍的加速因子，则需要进行274天的试验。考虑到本试验技术还处在研究阶段，所以采用通过一定加速倍率和一定时间的辐照试验后，根据试验数据，分析推算出太阳电池片寿命的方法。
太阳模拟器的辐照度以135.3mW/cm 2为一个太阳常数，用绝对辐射计确定太阳模拟器辐照面的辐照度为1S 0。紫外源的辐照度以11.8mW/cm 2为一个近紫外太阳常数作为基准，以10个紫外太阳常数进行。
因为紫外辐照是试验中的关键参数，试验设备还配置了光纤辐照度监测装置，利用相对测量的方法，监测试验中辐照度变化。
为了准确地模拟卫星在轨运行的空间环境，同时要满足紫外加速寿命试验条件，依次采用紫外辐射源和太阳模拟器对试件进行加速和非加速状态下的辐照，在非加速试验状态下进行测量。2.3 试验原理
试验开始前，首先旋转转台使太阳电池面向太阳模拟器，当模拟器内的真空度达到10-3Pa 时，启动太阳模拟器进入稳定状态，当太阳模拟器在太阳电池试件表面的辐照度为一个太阳常数时，测量太阳电池开路电压作为初始值，测量此时太阳电池片的温度T ，并以该温度作为整个试验中测量太阳电池片开路电压的温度，以消除温度对开路电压带来的影响对数据分析的误差。旋转转台，使太阳电池面向
高辐照度紫外辐射源，启动紫外辐射源，紫外辐射光通过紫外石英窗口，辐照到空间环境模拟器内的试件上，试件处于加速试验状态。连续辐照24h 后旋转试件180°，使太阳电池面向太阳模拟器，并控制太阳电池片的温度，使它的温度为T ，太阳模拟器在太阳电池试件表面的辐照度为一个太阳常数时，原位测量辐照后太阳电池片的开路电压。测量完成后，试件再次旋转180°，继续进行紫外加速辐照，进入下一个循环。这样，通过定期监测太阳电池开路电压的变化，获得紫外辐射对太阳电池的损伤趋势。
3 试验数据
图2 紫外辐照度变化曲线
经过对太阳电
池连续15天的紫外加速试验，获得了紫外辐照对太阳电池片的损伤数据。同
9光 学 技 术 第33卷
图3 真空度变化曲线
时，根据紫外辐照度
监测系统的测量数据，石英窗口的紫外截至膜在紫外的作用下，其透过率逐渐降低，使辐照到太阳图4 Si 太阳电池开路电压变化曲线
电池表面的辐照度下降。
图2为照射在太阳电池片上紫外辐照的变化曲线，图3为试验中真空度图5 G aAs 太阳电池开路电压变化曲线
变化曲线，图4为Si 太阳电池开路电压变化曲线，图5为G aAs/G e 太阳电池
开路电压变化曲线。
4 数据处理
图6 G aAs 电池开路电压随等效紫外辐照时间变化规律
根据图4、图5
中的试验数据分别采用G aussian 拟合和Sigmoidal 拟合，得到G aAs/G e 太阳电池和Si 太阳电池的开路电压V 随等效紫外辐照时间变图7 Si 电池开路电压随等效紫外辐照时间变化规律
化的回归曲线，如图6和图7所示。图中R 2
为相关系数，用于评价曲线的拟合精度,R 2越接近1，曲线的拟合效果越好[3,4]。图中R 2>0195，说明回归曲
线精度较高，满足拟合精度要求。
由图可知，试验数据的回归曲线大体呈指数下降趋势，可选用指数衰减函数作为太阳电池衰减的拟合模型函数，并根据概率纸检验法确定试验数据服从正态分布。
试验中太阳电池的性能退化由紫外辐射引起，失效机理单一，失效模式属于参数退化失效，而且紫外辐照下的太阳电池寿命服从正态分布，因此可以采用加严判据方法分析紫外辐照对太阳电池的损伤
效应。根据太阳电池衰减的拟合模型函数，建立太
阳电池加严判据加速寿命试验方程
M TTF =
1
B
ln
V
V o
-A ・
I o
S e ・E
(1)
式中M TTF 为太阳电池工作平均无故障时间;V o 为试验前太阳电池开路电压,V ;S e 为光电灵敏度;
E 为辐照照度,mW/cm 2
;I o 为反向饱和电流,A ;A 、B 为待定参数。
一般把寿命末期太阳电池的开路电压定义为初
期太阳电池开路电压的85%，本文取太阳电池开路
电压标准失效判据为(V /V o )s ≥0185，加严失效判据为V /V o =01996～01975。表3为在不同的加严失效判据条件下，太阳电池的寿命分布参数试验结
果。σt 为不同加严判据条件下的太阳电池寿命对应的均方差。
表3 不同加严判据条件下太阳
电池的寿命分布参数试验结果
失效判据
G aAs/G e 电池Si 电池MTTF/h σt
MTTF/h σt
V /V o ≥0.996456.34103.1300.4779.2V /V o ≥0.9901120.53209.2644.318194.1V /V o ≥0.9852082.68305.51200.176284.8V /V o ≥0.9803970.75
338.4
1600.256300.5V /V o ≥0.975
——————
2153.68
320.9
慢性再生障碍性贫血 取5个加严的失效判据，分别代入(1)式求解加
速寿命试验方程的系数，并取其加权平均值，可确定
G aAs/G e 太阳电池在加严判据下的紫外加速寿命
试验方程为MTTF =
1
E
-
75477861.012・ln
V
V o
+35740.627
(2)
Si 太阳电池在加严判据下的紫外加速寿命试验方程为MTTF =
1
E
-37073682.56・ln
V
V o
+353139.4205
(3)
edcnhs据(2)和(3)式的加速寿命方程外推至标准失效判据条件，得到本试验条件下两种太阳电池在标准失效判据下的寿命。G aAs/G e 太阳电池:M TTF =123089.7h ，约为14.05年;Si 太阳电池:M TTF =63817.6h ，约为7.3年。因此，在空间紫外辐照环境下,G aAs/G e 太阳电池比Si 太阳电池具有更强的抗辐射能力，更利于延长在轨卫星的工作寿命。
5 结 论
本文在模拟空间环境下，采用高辐照度紫外辐
(下转第94页)
1
9第1期杨林华，等: 太阳电池紫外加速寿命试验技术研究
(a )TE 模直通
利用BPM 软件对设计的定向耦合器进行了模拟仿真，并通过改变其中的波导参数来提高器件的消光比,
进而可以优化(b )TM 模耦合
图5 BPM 软件模拟定向
耦合器偏振分束效果制作工艺参数。在仿真过程中选择了不同的波导折射率和波导深度来进行模拟。发现波导折射率以及波导扩散深度对于器
件的消光比影响很大，在工
艺过程中通过扩散的工艺条件来进行控制。给出其
中一组BPM 仿真结果，如图5(a )、
(b )所示，其中图5(a )，为TE 模直通，图5(b )为TM 耦合(从左至右图中分别显示的是光波传播路径和波导光强剖面图),TE/TM 消光比分别可以达到2112dB 和1915dB 。
4 测试及结论
根据前面设计参数，在初始钛膜厚度τ=80nm ，扩散温度T =1050℃，扩散时间t =8h 的扩散条件下，在铌酸锂晶片采用Ti 扩散技术制作完成
定向耦合型偏振分束器样品。并对实验样品进行了初步测试，测试系统如图6所示。LD 光源经过单模光纤输入到波导起偏器，确保输出光的偏振态，然后经过保偏光纤，通过六维精密调整架与波导定向耦合器对准耦合，最后经过透镜准直，测量透过光功率。实验系统中的波导起偏器和保偏光纤的实测消光比都达到33dB 以上，大于定向耦合器消光比的
设计值，满足实验要求。
图6 定向耦合器消光比测试系统
测试样品的TE/TM 模消光比分别达到
1115dB 和1911dB ，测试结果表明设计器件基本实现了偏振分束的效果，但性能指标还不够理想。分
析其原因主要有:1)波导折射率以及波导扩散深度对于器件的消光比影响较大，工艺过程中主要通过镀膜厚度来控制，实验样品的镀膜精度不够，需要进一步对工艺条件进行优化。2)理论设计中忽略了对尖角附近耦合臂之间的耦合情况，也是造成消光比下降的一个因素。因此需要进一步对工艺条件和设计结构进行优化，从而达到更高的性能指标。参考文献:
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梁在平
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(上接第91页)
射源对太阳电池进行紫外辐照加速寿命试验，利用太阳模拟器测量太阳电池的开路电压。对试验数据采用加严判据方法分析，建立了加速寿命试验方程，预测了紫外辐照环境中太阳电池的工作寿命,G aAs/G e 太阳电池寿命约为14.05年,Si 太阳电池寿命约为7.3年，太阳电池紫外加速寿命试验的技术研究获得了有意义的数据。模拟空间环境下的太阳电池紫外加速寿命试验，可以在较短时间内获得紫外辐射对太阳电池的损伤趋势，为延长在轨卫星的工作寿命提供了参考。
但是，本文仅分析了紫外辐射单一环境对太阳
电池片的作用效应，而空间环境极其复杂，太阳电池片受到的环境影响是综合的，而且紫外辐射源为近紫外辐射源，因此，今后在扩展紫外辐射源的谱域、数学模型的建立等还有待于进一步研究，提高预测数据的准确性。参考文献:
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