基于网格状ITO薄膜的航天器太阳电池阵静电放电防护.pdf

航空学报 A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r o n a u t i c aS i n i c a O c t 2 52 0 1 5V 0 1 3 6N o 1 0 3 4 9 4 3 5 0 0 I S S N1 0 0 0 6 8 9 3C N11 1 9 2 9 V h t t p ：h k x b b u a a e d u c ah k x b b u a a e d u C R 基于网格状I T O 薄膜的航天器太阳电池阵 静电放电防护 刘浩1 ，刘尚合1 * ，苏银涛1 ，孙永卫1 ，曹鹤飞1 2 1 军械工程学院静电与电磁防护研究所，石家庄0 5 0 0 0 3 2 石家庄学院物理系，石家庄0 5 0 0 0 3 摘要：表面蒸镀I T O 薄膜是解决航天器太阳电池阵充放电问题的有效途径。薄膜会降低可见光透射率并增加航天器 载荷，为此，提出一种网格状I T O 薄膜解决方案。通过光学性能测试和电子辐照材料表面起电实验研究，分别给出了可 见光平均透射率与薄膜覆盖率、表面电位与薄膜覆盖率的关系表达式，总结了平均透射率和表面电位随薄膜覆盖率的变 化规律。结果表明，在3 8 0 7 8 0n m 可见光范围内，薄膜覆盖率每增加1 0 ，平均透射率下降约0 7 ；薄膜覆盖率为 1 0 的样品表面电位比无薄膜覆盖降低5 4 ；在薄膜覆盖率为1 0 i 0 0 范围内，表面电位随覆盖率增大近似呈线性 下降，薄膜覆盖率每增加1 0 ，表面电位降低约9 。该研究结论可为航天器太阳电池阵静电防护研究提供有益参考。 关键词：航天器；I T O 薄膜；网格状；太阳电池阵；透射率；表面电位；静电放电防护 中图分类号：V 2 5 4 2 ；T M9 1 4文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 6 8 9 3 ( 2 0 1 5 ) 1 0 3 4 9 4 0 7 在航天领域，太阳电池阵将光能转化为电能， 是航天器获取能量的主要途径。然而，在轨运行 期间，受等离子体、高能带电粒子以及太阳辐射等 环境的影响，航天器表面介质材料会沉积电 荷 1 。太阳电池阵由于面积大、介质材料种类 多，表面带电不均匀，容易发生静电放电( E l e c t r o s t a t i cD i s c h a r g e ，E S D ) ，诱发太阳电池阵二次放 电，造成功率损失并导致太阳电池阵永久性短路， 影响航天器的安全运行和使用寿命 3 书 。为此，国 内外学者提出了控制电池串间电压、减小维持二 次放电串电流 7 、电池串间填涂室温硫化硅橡胶 ( R o o mT e m p e r a t u r eV u l c a n i z e d ，R T V ) L 89 | 、电位 主动控制 10 及电池片表面蒸镀透明导电氧化物 ( T r a n s p a r e n tC o n d u c t i v eO x i d e ，T C 0 ) 薄膜 1 卜” 等方法，缓解航天器太阳电池阵充放电问题。 I T 0 ( I n d i u mT i n0 x i d e ) 薄膜是一种N 型半 导体透明导电氧化物薄膜。具有可见光透射率高 ( 9 0 ) 、电阻率低( 可达1 1 0 叫Q c m ) 、与大 部分衬底材料附着性良好、硬度高、耐磨损等特 点，在太阳电池透明电极领域得到广泛应 用 1 4 18 | 。通过蒸镀I T O 薄膜，使太阳电池阵表面 与航天器的“结构地”相连，在太阳电池阵表面形 成电荷通路，将表面沉积电荷通过互连网络泄放， 使太阳电池阵表面等电位，从而有效地解决太阳 电池阵充放电的问题。此方法已成功应用于我国 “地球探测双星计划”，通过蒸镀I T O 薄膜，使太 阳电池阵表面任意两点之间电位差不超过 1V 12 】。然而，大面积蒸镀I T O 薄膜会降低可 收稿日期：2 0 1 4 - 1 0 1 3 ；退修日期：2 0 1 4 - 1 1 - 0 4 ；录用日期：2 0 1 4 1 1 2 1 ；网络出版时间：2 0 1 4 1 1 2 4 1 1 ：1 1 网络出版地址：W W Wc n k i n e t k c m s d o i 1 0 7 5 2 7 $ 1 0 0 0 - 6 8 9 3 2 0 1 4 0 3 2 0 h t m l 基金项目：国家“9 7 3 ”计划( 6 1 3 2 1 1 ) * 通讯作者T e l ：0 3 11 8 7 9 9 2 0 1 1E m a i l ：l i u s h h c a e o n | 用榕武IL | uH 。L l uS H S uY T e t a l E l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e p r o t e c t i o n o f s p a c e c r a Rs o | a rc e l l a r r a y b a s e d o n m e s h e d T O f l l m E J J A c t a A e r o n a u t i c ae t A s t r o n a u t i c aS i n i c a ，2 0 1 5 ，3 6 ( 1 0 ) ：3 4 9 4 3 5 0 0 列浩刘尚合，苏银涛，等基f 网榕状T O 薄膜的兢天器太 阳电池阵静电放电防护J 航空学报，2 0 1 5 3 6 ( 1 0 ) ：3 4 9 4 - 3 5 0 0 万方数据 刘浩等：基于网格状l T ( ) 薄膜的航天器太阳电池阵静电放电防护 见光透射率，降低太阳电池阵光电转换效能；此 外，薄膜还会增加航天器的载荷。基于上述问题， 本文提出一种网格状l T O 薄膜太阳电池，采用电 子束蒸发E l o I 和光刻技术瞳叩进行制备，并利用分 光光度计和电晕喷电法对不同薄膜覆盖率的电池 阵样品的光电性能进行测试，研究薄膜覆盖率对 可见光透射率和表面电位的影响。 l实验 1 1 网格状I T O 薄膜的制备 制备I T O 薄膜的常用技术主要包括 1 “2 1 I ：真 空蒸发法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、磁控 溅射法等，本文采用电子束蒸发法进行I T O 薄膜 的制备。采用设备为日本爱发科U L V A C 公司 生产的电子束蒸发真空镀膜机，真空度可达1 1 0 _ 4 P a 。衬底材料为4 0m m x 4 0m m 太阳电池 玻璃盖片，抛光后粗糙度为0 0 1 6 肚m 。为防止表 面污秽影响I T O 薄膜的附着性，实验前，衬底先 在专用清洗剂中浸泡2h ，然后进行超声清洗，再 用去离子水冲洗，最后用高纯度氮气将衬底吹干。 实验本底真空维持在5 0 1 0 4 P a ，蒸发源采用 纯度为9 9 9 9 9 、质量分数比为9 ：1 的铟锡合 金，以高纯度氧气作为反应气体，氧气流量由流量 计控制，电子枪的加速电压为6k V ，沉积速率为 0 1n m s 。 薄膜蒸镀完成后，利用传统的光刻技术，制备 出网格状I T O 薄膜。划分的网格为长方形，网格 线为I T O 薄膜覆盖处，线宽0 1m m 。不同的薄 膜覆盖率仅改变网格空白面积大小，网格线宽度 不变。 为使薄膜和“结构地”相连，在玻璃盖片边缘 焊接三角形金属电极，I T O 薄膜与焊接电极连接 导通，示意图如图1 所示。 I E 三j m f f O 鹕f i l m b 。 S i d e 、l c 、 网格状I T O 薄膜通过焊接电极相互串联，以 并联的方式形成网络，经汇流条与太阳翼铰链相 连，再通过S A D A 接入航天器“结构地”，建立电 荷泄放通路。1 T ( ) 薄膜接地网络如图2 所示。 P a r a l l e lc 。n d u c t 。r s 图2I T ( ) 薄膜接地网络 F i g 2G r o u n d i n gn e t w o r ko fI T ( ) f i l m s 1 2 性能测试 本文采用台阶仪测得薄膜厚度为1 5 0n m ，用 S X l 9 3 4 型数字式四探针测试仪测定薄膜方块电 阻为1 1 5Q 口。薄膜电阻率由公式P R n d 计算，为1 7 2 5 1 0 叫Q e m ，可以看出，制备的 I T O 薄膜电阻率较低、导电性能较好。采用U V 一 2 5 5 0 型紫外一可见光分光光度计对薄膜的可见光 透射率进行测量。 采用电晕喷电法研究I T O 薄膜覆盖率对太 阳电池阵样品表面电位的影响。主要测试设备包 括：电晕喷电装置、直流高压源和非接触式静电电 位计等，测试系统示意图如图3 所示。 罔3 测试系统示意图 F i g 3 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s ts y s t e m 万方数据 航空 学报O c t 2 52 0 1 5V 0 1 3 6N o 1 0 为防止温湿度的变化影响测试结果，实验在 密闭气罐中进行。环境温度为2 2 ，相对湿度为 4 2 。 将蒸镀I T O 薄膜的电池阵样品置于载物台 上，金属电极通过导线接地；高压源输出负极性直 流高压，输出范围8 1 4k V ，步长为2k V ；利用 尖针电晕放电，使样品表面带电，放电时间为 1 0m i n ；放电结束后，立即用非接触式静电电位计 测量电池阵样品表面电位；为防止表面残留电荷 对下次测量的结果产生影响，单次测量结束后，用 离子风静电消除器将电池阵样品表面的电荷 消除。 2 测试结果与分析 2 1 网格状I T O 薄膜光学特性 透射率是评价I T O 薄膜光学性能的重要指 标，薄膜覆盖率的变化会对电池阵样品透射率产 生影响。本文对薄膜覆盖率z 为0 1 0 0 ( 步 长为1 0 ) 的电池阵样品的透射率进行测量，波 长范围为3 8 0 7 8 0n m ，测试结果如图4 所示。 图4网格状I T O 薄膜的可见光透射率 F i g 4 V i s i b l el i g h tt r a n s m i t t a n c eo fm e s h e dI T Of i l m s 由图4 可以看出，制备的网格状I T O 薄膜太 阳电池阵样品，在3 8 0 7 8 0n m 波长范围内，透 射率均在8 0 以上，具有较高的可见光透射率。 薄膜覆盖率为1 0 0 时，在波长为4 2 5n m 左右出 现波谷，当覆盖率低于1 0 0 时，可见光透射率曲 线较平滑，未出现明显波谷。 由于薄膜对波长为4 2 5n m 左右的可见光具 有较高的反射率和吸收率，当薄膜覆盖率为 1 0 0 时，所测曲线为薄膜的可见光透射率，曲线 在4 2 5n m 左右出现波谷；当覆盖率低于1 0 0 ( 即存在空白玻璃区域) 时，所测曲线为网格状薄 膜和空白玻璃总的可见光透射率，由于衬底玻璃 对可见光几乎全透射，导致网格状I T O 薄膜可见 光透射率曲线和1 0 0 覆盖率下的曲线差别显 著。随着薄膜覆盖率降低，可见光透射率增加，且 曲线较为平滑，无明显波谷。 将可见光的透射率取平均值，得到不同薄膜 覆盖率下的平均透射率，并利用两种不同的函数 对结果进行拟合，如图5 所示。 图5 不同I T O 薄膜覆盖率下的平均透射率 F i g 5A v e r a g et r a n s m i t t a n c ea td i f f e r e n tI T 0f i l mc o v e r a g er a t i o s 由图5 可以看出，每个不同覆盖率下薄膜的 平均透射率均大于9 2 ，随着薄膜覆盖率的增 大，平均透射率降低；薄膜覆盖率每增加1 0 ，平 均透射率下降约0 7 ；和无薄膜覆盖样品相比， i 0 0 覆盖的样品平均透射率下降7 5 。由于 I T O 薄膜对可见光具有一定的反射率，而空白玻 璃盖片在可见光范围内几乎全透射，薄膜覆盖率 增大，空白面积减小，平均透射率降低。