学术导读丨空间太阳电池柔性封装材料与技术研究进展

论文导读

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前言

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随着航天科技的快速发展，航天器呈现出任务多样化、在轨服役长期化、有效载荷复杂化等特点，其所需要的电源功率不断增加。另一方面空间电站、行星际探测、微纳卫星、低成本商业卫星、长航时临近空间飞行器等任务需求对航天器太阳电池阵提出了更高的要求。由于运载火箭载荷质量、载荷空间以及发射成本的限制，太阳电池阵由传统的刚性电池阵、半刚性电池阵逐渐向高效、轻质、高质量比功率、高体积收纳比的全柔性电池阵发展。2017年美国Roll-Out Solar Array (ROSA)柔性电池阵被部署到国际空间站进行为期7 d的在轨技术验证。

图1 （a）ROSA柔性太阳电池阵在轨飞行图；

（b）ROSA地面展开图

太阳电池在轨服役过程中直接暴露在带电粒子辐射、紫外辐射、原子氧、粉尘等空间环境中，因此需针对柔性电池发展新的柔性封装材料及技术。作为太阳电池的辐射防护层，柔性封装层的辐射防护性能、光学性能以及力学性能是保证电池高效、稳定运行的核心要素。接下来，本文将对这几种典型柔性封装材料进行相关介绍。

02

聚硅氧烷薄膜材料

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笼型聚倍半硅氧烷(POSS)是一种新型有机-无机杂化材料，其由Si-O-Si构成的六面体笼型结构作为内核，外部Si原子可连接多种有机基团，从而增强其光学、自由基捕获和辐射耐受特性。当聚硅氧烷暴露于原子氧等氧化环境时，其表面发生氧化反应，生成玻璃化层从而提高耐辐射性能。然而聚硅氧烷薄膜在带电粒子及紫外辐照时易产生着色，导致光损失，甚至产生裂纹，长期在轨稳定性不足。如图2，可以看到POSS样品轨道暴露五年后呈黄色并在涂层中出现裂纹，这将导致太阳电池电流损失。

图2 POSS样品涂层模拟GPS在轨五年质子辐照后图像

2013年Smeenk等联合欧空局研究了一种由甲基三甲氧基硅烷(MTMS)基硅氧烷(MBS)组成的柔性盖片在高温和电子、紫外辐照环境下的可靠性。通过向MBS样品中添加不同的前驱体，如原硅酸四甲酯(TMOS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)和苯基三甲氧基硅烷(PhTMS)，改变其组成成分。此外，为最大限度降低紫外辐照的影响，在部分样品中添加了铈。表1为计算得到的不同盖片辐照前后在300~600 nm内的光吸收百分比，该波段对应于三结太阳电池顶电池的光谱响应。结果表明，采用MBS封装后的电池紫外辐照后电性能发生明显的退化。1000 ESH紫外辐照后样品着色明显甚至开裂，裂纹的产生可能是暴露期间温度升高造成的，如图3c，加入铈的样品在紫外线辐照下降解更加严重，表面在硅氧烷中直接添加铈无法起到增强其耐辐射的作用。

表1 不同盖片紫外辐照前后300-600 nm范围内光吸收变化

图3 紫外辐照后样品图像：

（a）MBS；（b）MBS+PhTMS；（c）Ce-MBS

聚硅氧烷薄膜材料相比于其他透明聚合物材料具有较为优异的空间环境稳定性，其在原子氧等环境中表面将发生氧化反应生成类玻璃化层从而进一步提高其耐辐射性能。然而聚硅氧烷薄膜材料同时也存在密度低、辐射屏蔽能力弱、带电粒子辐照着色明显、易产生裂纹、耐紫外辐照稳定性不足等问题，难以为柔性太阳电池提供有效的防护。

03

聚酰亚胺薄膜材料

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聚酰亚胺是一种以芳环和亚酰胺环为主要单元结构的聚合物，具有优异的绝缘、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀等性能，被广泛应用于航空航天领域。Farah使用25~50 μm氟化透明聚酰亚胺薄膜替换刚性玻璃盖片，采用有限元方法计算选择聚酰亚胺层的厚度和热膨胀系数以平衡结构应力，使得电池在-200~100 ℃内仍能保持平整。整个电池结构厚度小于250 μm，比功率达到340 W/kg。研究人员还发现在聚酰亚胺中添加双层云母以增强PI薄膜抗原子氧能力，如图4，但此时PI薄膜光学性能较差，无法兼顾。

图4 (a)原子氧侵蚀聚酰亚胺后SEM；(b)原子氧侵蚀双层云母-聚酰亚胺后 SEM；(c)原子氧侵蚀聚酰亚胺、单层云母聚酰亚胺和双层云母聚酰亚胺前后透过率；(d)原子氧侵蚀聚酰亚胺、单层云母聚酰亚胺和双层云母聚酰亚胺前后质损变化

传统芳香族聚酰亚胺薄膜具有优异的热性能、机械耐久性和抗辐照性能，在航天工业中得到了广泛的应用。但其具有高度共轭的分子结构，易形成分子内和分子间电荷转移络合物，导致其在可见光范围内的透过率较差，无法满足太阳电池对透光性的要求。为此，研究者们提出通过引入脂环结构、含氟基团、大量侧基等方法提高其透过率。然而目前透明聚酰亚胺的制备工艺尚不成熟，且含氟透明聚酰亚胺在力学性能、热稳定性及辐照稳定性等方面相比于传统芳香族聚酰亚胺薄膜仍具有较大差距。

图5 （a）含叔丁基、环己基和三氟甲基的PI的化学结构；（b）原始和电子辐照后透明聚酰亚胺薄膜透过率

04

赝形玻璃盖片

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赝形玻璃盖片（PMG）以高分子聚合物为基体，以微米级铈掺杂硼硅珠或熔融石英珠为填充物混合到基体中。如图所示，赝形玻璃盖片使用传统的电池阵材料，但采用了一种新的混合模式，充分利用每种材料的优点，由传统刚性玻璃盖片材料(铈掺杂硼硅酸盐玻璃(CDB)、熔融石英(FS))制成的微球嵌入到覆膜玻璃粘结剂(如盖片胶、DC93-500、透明聚酰亚胺)中。其中玻璃微珠提供主要的辐射防护性能，基体保证机械柔韧性。除了柔性之外，赝形玻璃盖片还为电池阵全封装提供了可能，从而降低其在地球同步轨道静电放电风险。另一方面，赝形玻璃盖片具有比传统玻璃盖片更高的发射率，使得太阳电池阵在更低温度下保持高效率运行。赝形玻璃盖片凭借优异的光学性能和辐射防护性能，能够在保证高透光性的条件下为太阳电池提供有效的辐射屏蔽，并已被应用于多颗商业卫星上。

图6 （a）PMG封装太阳电池概念设计图；

（b）PMG显微图像

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总结

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轻量化、高效率柔性太阳电池阵将成为未来航天器能源供应的重要方式，作为电池辐射防护层，封装盖片也由传统刚性玻璃盖片向柔性聚合物薄膜和有机、无机复合材料发展。优异的光学性能、辐射防护性能、力学性能以及空间环境稳定性是柔性封装材料的核心要素。以美国为主的各国航天机构研发了聚硅氧烷、透明聚酰亚胺、赝形玻璃盖片等柔性盖片并对它们进行了初步的地面模拟试验和在轨飞行暴露试验，结果表明单一聚合物薄膜盖片存在辐射防护能力不足、热稳定差、空间环境耐受性弱等问题。赝形玻璃盖片有机、无机复合材料具有较为优异的综合性能，最有可能实现大规模空间应用。此外，针对柔性封装材料带电粒子辐射、紫外辐射、原子氧、静电放电防护等问题仍有待进一步研究。

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