空间太阳电池赝形玻璃盖片的透射率优化_董倩.pdf

2023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计收稿日期：2022-11-19基金项目：国家自然科学基金(51971133,51801121,51902200,52072241)；国家重点研究开发项目(YS2017-YFGH000385)；上海科学技术委员会项目(18JC1410500,19JC1410400,19ZR1425100,18ZR1420900)作者简介：董倩(1999)，女，山西省人，学士，主要研究方向为光功能材料。通信作者：张旺，E-mail:空间太阳电池赝形玻璃盖片的透射率优化董倩1，符春娥2，蔡晟2，赵鑫坤1，张旺1(1.上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240；2.上海空间电源研究所，上海 200245)摘要：空间太阳电池表面需覆盖玻璃盖片，使太阳电池免受空间辐照的危害，延长电池寿命。玻璃微珠和盖片胶混合制备的新型赝形玻璃盖片兼具柔软可变形和抵御辐照的优点，是一种有潜力的空间封装材料。该材料在应用过程中发现光学透射率与工艺制程强相关。针对赝形玻璃盖片，基于时域有限差分法仿真研究其光透过性，探究了实际生产过程中的多种工艺因素，如玻璃微珠的尺寸、间距、层数、与盖片胶间的结合强度及盖片胶厚度等因素对玻璃盖片光透射率的影响，通过综合分析相关工艺组合，为空间太阳电池赝形玻璃盖片的工艺制程提供理论依据，加快其开发应用过程。关键词：空间太阳电池阵；玻璃盖片；透射率；柔性材料；FDTD中图分类号：TM 914.4文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)06-0756-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.06.014Optimization of transmittance of pseudomorphic coverglassfor space solar cellDONG Qian1,FU Chune2,CAI Sheng2,ZHAO Xinkun1,ZHANG Wang1(1.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Institute of Space Power-sources(SISP),Shanghai 200245,China)Abstract:The surface of the space solar cell is generally covered with a coverglass to protect the cell substrate fromspace radiation and prolong the cell life.The pseudomorphic coverglass prepared by mixing glass beads and cover slipglue has the advantages of soft deformation and radiation resistance,and is a potential space encapsulation material.The strong correlation between the optical transmittance and the process is found during material application.Thefinite difference time domain method was used to study its light transmittance,and the influence of a variety oftechnical factors in the production process on its transmittance was researched,including the beadssize,spacing,number of layers,the combination strength between the glass beads and the cover slip glue and cover glass gluethickness.Through the comprehensive analysis of relevant process combinations,this work could provide a theoreticalreference for the process design of the pseudomorphic coverglass and accelerate its development and applicationprocess.Key words:space solar array;coverglass;transmittance;flexilble materials;FDTD利用光生伏特效应，空间太阳电池阵可以将宇宙中的辐射能量转换为电能，从而为宇宙空间中的航天器提供电力。随着航天技术的发展，对于提供能源供应的空间太阳电池阵也提出了更高的技术要求。空间太阳电池直接暴露在恶劣工作环境中，辐照损伤和高能粒子的干扰会影响太阳电池的使用寿命和转换效率。因此需要在表面增加特种玻璃盖片或聚合物，使太阳电池免受空间辐射和高能粒子的攻击。抗辐照的玻璃盖片经历了刚性到柔性的发展历程。刚性玻璃盖片具有良好的抗辐照性能和透光性能。例如使用电子束热蒸发、离子源辅助沉积的方式，在空间用抗辐照玻璃盖片表面沉积紫外反射膜，制备出紫外反射玻璃盖片1。然而刚性玻璃盖片容易产生裂缝，无法和柔性太阳电池阵相匹配。对新型柔性玻璃盖片来讲，一方面要能够抵抗空间辐照，另一方面要保证高透光率，从而增加太阳电池的发电效率。目前，柔性玻璃盖片有两种技术路线，一种是直接采用超柔性玻璃进行封装，这种方式虽然简便易操作，但实际中需要面临层间残余应力带来的易碎问题，更严重的是，根据增透原理，单层薄膜只能增加特定波长的透射率，不能实现全波段的透光性，多层膜又面临热膨胀系数不匹配带来的危险2，因而并不是理想的柔性封装选择。另一种则是采用赝形玻璃盖片(pseudomorphic glass,PMG)对柔性电池组件进行封装。赝形玻璃盖片是将玻璃微珠和盖片胶按比例混合在一起，其中玻璃微珠的尺寸为微米级别，具有抗辐照功效，而盖片胶可以提供柔性，两者混合后涂覆在太阳电池上。涂覆7562023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计合适的保护涂层，PMG能够很好地抵挡紫外辐射，满足空间辐射的防护要求3-4。作为涂覆在太阳电池表面的封装材料，除了抗辐射的功能性要求以外，其透光性对太阳电池阵的最终输出功率具有决定性的影响。研究者们模仿自然界中的低反射结构，例如昆虫复眼、蝉翼等，将不同的微结构引入玻璃或聚合物表面来增加透射率5，制备出如圆锥形6、金字塔型7和球型8等结构，并实现了很好的减反效果。对于具有球型微结构的PMG，中国电科十八所将盖片材料和盖片胶材料混合，研制出了具有柔性的赝形玻璃盖片，降低了工艺复杂性，并结合硅太阳电池，对玻璃盖片参数对透射率、抗拉强度和电子辐照等影响进行了全面的实验分析，探索确定了最优的盖片参数组合9。为了进一步解析赝形玻璃盖片的光学特性，针对未来砷化镓等对光谱更为敏感的太阳电池体系，需要利用仿真方法进一步分析赝形玻璃盖片参数变化的影响规律。针对这一问题，本文利用有限时域差分法，探究赝形玻璃盖片在实际生产过程中的多种工艺因素，即玻璃材质微珠各尺寸参数，包括玻璃微珠直径、相邻玻璃微珠间距、玻璃微珠层数以及玻璃微珠间盖片胶对透射率的影响。通过对理论模拟的结果分析，为赝形玻璃盖片的设计提供理论指导，进一步确认其最佳参数，从而优化工艺流程。1 实验仿真图1给出了由微珠和盖片胶混合而成的赝形玻璃盖片示意图。为了探究玻璃微珠尺寸及其与盖片胶不同配比对透光性的影响，需要对模型进一步简化。玻璃微珠近似为周期分布，故而在仿真中可以简化为单周期。在仿真中，改变对应的模型参数，从而探究微珠的尺寸、间距、层数以及盖片胶对透光性能的影响，对应关系总结在图2中。使用LumericalFDTD软件，模拟中，以图 2 为例，左右边界为周期性边界条件，上下边界为完美吸收边界(PML)。所有光源都从上方正入射。玻璃微珠的成分为熔融石英玻璃，主要成分为二氧化硅(SiO2)，在仿真中使用软件附属数据库中附带的二氧化硅折射率参数。盖片胶粘合剂主要成分为硅胶，其折射率为1.4。2 结果2.1 玻璃微珠直径对透射率的影响当玻璃微珠的直径在 10 m以下时，在部分波长处透射率会显著降低，造成可见光波段整体的透射率较低。由于此时玻璃微珠的直径较小，与光之间可能产生干涉衍射效应，从而造成部分波长的光被强烈反射，使得透射率会在部分波段发生骤降，不能实现全波段的高透射率，因而不能作为理想粒径。当粒径超过10 m后，透射率变化如图3所示，在可见光波段的分布较为均匀，不再出现明显的透射率骤降现象，故此区间可兼顾高透射率和高均匀度。进一步对数据进行分析，得到1050 m的玻璃微珠在可见光波段的透射率和标准差，如图4所示。可以看出，随着粒径的增大，平均透射率会先增加然后略微降低，直径为22 m时平均透射率最大，可达 94.8%，此时标准差约为 6103，是获得高透射率的最佳粒径。综合来看，玻璃微珠的粒径对透射率有一定影响，仿真中的最优参数为 22 m，此时可在可见光波段获得最高透射图1赝形玻璃盖片示意图图2仿真模型示意图图31050 m玻璃微珠在可见光波段的透射率7572023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计率和相对最高均匀度。在实际的玻璃微珠粒径选取时，可以综合考虑各方条件，但值得注意的是，选取时避免粒径过小，10 m以下不应作为备选直径。2.2 玻璃微珠间距对透射率的影响设定玻璃微珠直径为 10 m，探究其间距对透射率的影响，如图5所示，玻璃微珠间距在02 m内，透射率会先降低再增加，而间距继续增加，平均透射率会不断增加，并趋向于100%，与此同时，透射率在可见光波段的均匀度也更好。而针对直径为 20 m的玻璃微珠，其透射率整体趋势的变化与前述是一致的。对更多直径的模拟结果也验证了这一点，此处不再赘述。定义间隙率=相邻玻璃微珠间距/微珠直径100%。由此，间距对透射率的影响可以统一描述为：对于任意直径的玻璃微珠，随间隙率增大，平均透射率均会先呈现下降的趋势，并在相对间距为10%时降到最低，随后间隙率不断增大，平均透射率逐渐增大并趋近100%。综上所述，当间隙率在 20%以内时，玻璃微珠在可见光范围的平均透射率较低，且均匀性差。因此，在设计玻璃微珠排布时，其间距不应过近，若想得到高透射率，应要求间隙率不小于 20%。更大的间隙可得到趋近 100%的透射，但这也意味着填充率的降低，故实际应用中还应同时兼顾光学性能和其他性能。2.3 玻璃微珠层数对透射率的影响图6为直径20 m玻璃微珠不同层数下的透射率。随着玻璃微珠层数的增加，透射率在可见光范围内呈现下降的趋势，当层数在三层以下时，平均透射率仍能保持在90%以上，层数在五层及以下时，平均透射率能保持在80%以上。设计柔性玻璃材料时，在兼顾综合性能的前提下，应尽可能使玻璃微珠层数少一些，以免严重影响透射率。2.4 盖片胶与玻璃微珠间的结合状态对透射率的影响由于工艺的不同，盖片胶和玻璃微珠之间的结合可能紧密，也可能疏松。当盖片胶与玻璃微珠结合程度较弱时，盖片胶的加入会降低玻璃微珠的透射率，如图 7所示。不同波图41050 m的玻璃微珠在可见光波段的透射率和标准差图5直径为10 m的玻璃微珠透射率随间距的变化图6直径20 m玻璃微珠不同层数下的透射率图7盖片胶与玻璃微珠弱结合时不同厚度盖片胶的透射率7582023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计长的透射率有较大