CN114268276A - 基于太阳电池低温低光强综合试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置以及试验方法，该装置包括光源、低温恒温舱、无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***；其试验方法包括：根据电池服役环境，确定温度光照条件；整理装置，安装衰减片；样品放置，检查光路与测试线路；打开无油分子泵将低温恒温舱抽成真空环境；打开风冷压缩机对冷头降温至额定温度；校准太阳模拟器；测试样品光特性。该发明能在地面模拟出空间环境中低温低光强的试验装置的试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及空间太阳电池的低温环境、低光强环境及低温低光强耦合环境下适应性技术领域，更具体的说是涉及一种采用低温低光强原位测试的方式对空间太阳电池进行光电性能测试的方法。
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***。木星、土星与他们的卫星是深空探测的重要目标星体。
但是，这些星体处于低温、低光强的深空环境。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。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。在这些因素下太阳电池的性能与室温常光强下明显不同。
深空探测航天器载荷有限，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作用。
因此，如何克服现有仪器设备不能实现对太阳电池低温、低光强测试的问题，提供一种能在地面模拟出空间环境中低温低光强的试验装置的试验方法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太阳电池低温低光强综合试验装置及试验方法，克服了现有仪器设备不能实现对太阳电池低温、低光强测试的问题，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：
一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，包括低温恒温舱、光源、无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***；
光源位于低温恒温舱上方；
温度控制仪上安装有热电偶；
无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***均通过波纹管与低温恒温舱连接。
采用上述方案，所产生的有益效果至少包括：通过分子泵抽真空来模拟太空真空环境；通过热电偶温度计测温，风冷压缩机制冷降温，使用电热丝制热升温来确保恒定低温，模拟太空低温恒温环境。
具体的，光源由太阳模拟器发出。
具体的，还包括衰减片，衰减片作为光学窗口安装在低温恒温舱上，且低温恒温舱纵向放置，光学窗口位于光源正下方；样品水平放置在低温恒温舱内部。
采用上述方案，所产生的有益效果至少包括：通过太阳模拟器与衰减片组合实现远日星体低光强环境。为深空太阳电池深空性能测试提供了试验条件。
具体的，低温恒温舱横向放置，且低温恒温舱顶部设置有玻璃窗口；
光源位于玻璃窗口的正上方，光源是波长可变的单色光源，且单色光源左右两侧分别设置有两个偏置光源；其样品水平放置在低温恒温舱内部。
采用上述方案，所产生的有益效果至少包括：能够对多结电池进行更好的测试。
具体的，低温恒温舱横向放置，且低温恒温舱设置有4个窗口，顶部窗口为钛窗，侧边及底边窗口为玻璃窗。
具体的，还包括电子加速器，电子加速器位于钛窗的正上方，太阳模拟器发出的光源经折射镜折射后正对低温恒温舱的侧边的玻璃窗。
具体的，样品台呈45°放置在低温恒温舱内部。
采用上述技术方案，所产生的有益效果至少包括：能够保证光源和电子园均能照射到样品上。
本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，能够确保光源透过窗口照到舱内待测电池表面；能够通过更换不同透光率的衰减片实现低光强；通过无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪器能够提供真空低温等环境条件。
本发明还公开了一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、根据待测电池样品尺寸及服役环境，确定所需低温条件，所需光照强度，所需PCB板引线格式；
S2、整理装置，安装衰减片；
具体的，将衰减片作为光学窗口安装在低温恒温舱上，低温恒温舱纵向放置，其光学窗口正对太阳模拟器下方，确保光源透过光学窗口照到舱内待测电池表面；无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***均通过波纹管与低温恒温舱连接。
S3、样品放置，检查光路与测试线路；
具体的，将待测样品放置于样品固定台上，通过探针连接电池电极，通过真空法兰的测试线连接探针与测试设备，确认无断触后即可关闭舱门。
S4、打开无油分子泵，将低温恒温舱抽成真空环境；
具体的，低温恒温舱的真空环境，量级约为10-3～10-4Pa。
采用上述方案，一方面是为了模拟太空中的真空环境，另一方面是防止空气中的水汽附着在电池上，造成短路等电气问题。
S5、打开风冷压缩机，在温度控制仪器设置所需温度；
风冷压缩机给冷头持续降温，通过铜管将温度传给样品固定台；由于风冷压缩机是只能制冷，所以在冷头上装上了热电偶，如果温度低于设定温度，热电偶自动开启，实现升温。通过冷头和热电偶相互配合工作，可将温度长时间稳定在设定温度处。
具体的，温度范围控制在10K～300K。
S6、打开太阳模拟器，进行光源校准；
具体的，使用标准太阳电池进行测试，调节太阳模拟器光照强度，使标准样品的短路电流密度达到标准值，即完成校准。
S7、通过电学测试***进行光电性能测试。
本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，所产生的有益效果至少包括：达到了低温、低光强、强辐射环境，能够实现低温低光强光特性测试，低温量子效率测试、低温辐射原位测试。
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一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置实施例一的示意图。
图2附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置实施例二的示意图。
图3附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置实施例三的示意图。
图4附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法的流程图。
图5附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法的正向三结太阳电池低温光IV测试曲线。
图6附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法的GaAs太阳电池低温量子效率测试曲线。
图7附图为本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法的正向三结电池辐射前后光低光强下IV特性曲线。
其中，1为低温恒温舱；2为衰减片；3为太阳模拟器；4为无油分子泵；5为风冷压缩机；6为温度控制仪器；7为电学测试***；8为电子加速器；9为辐射屏蔽箱；10为单色光源；11为偏置光源；12为光源。
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。
实施例一
如图1所示，本发明公开了一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，具体的，所述衰减片2作为光学窗口安装在所述低温恒温舱1上；所述低温恒温舱1纵向放置在所述太阳模拟器3正下方；所述样品水平放置在所述低温恒温舱内部。所述温度控制仪6上安装有热电偶；所述无油分子泵4、风冷压缩机5、温度控制仪6以及电学测试***7均通过波纹管与所述低温恒温舱1连接。
实施例二
如图2所示，本发明公开了一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，具体的，所述低温恒温舱1横向放置；所述低温恒温舱1顶部窗口为玻璃窗口，所述光源位于玻璃窗口的正上方，所述光源是波长可变的单色光源10，且所述单色光源10左右两侧分别设置有两个偏置光源11；所述样品水平放置在所述低温恒温舱内部。所述温度控制仪6上安装有热电偶；所述无油分子泵4、风冷压缩机5、温度控制仪6以及电学测试***7均通过波纹管与所述低温恒温舱1连接。
实施例三
如图3所示，本发明公开了一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，具体的，所述低温恒温舱1有4个窗口，所述低温恒温舱1横向放置，其顶部为钛窗，侧边及底边设置为玻璃窗；所述电子加速器8位于所述钛窗的正上方，所述太阳模拟器3发出的光源经折射镜折射后正对所述低温恒温舱1侧边的玻璃窗；样品台呈45°放置在所述低温恒温舱1内部。所述温度控制仪6上安装有热电偶；所述无油分子泵4、风冷压缩机5、温度控制仪6以及电学测试***7均通过波纹管与所述低温恒温舱1连接，且所述无油分子泵4、风冷压缩机5及温度控制仪6均设置在辐射屏蔽箱9内。
本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，通过在太阳模拟器下搭建低温测试台的方式来实现低温低光强同步测量，原位表征。本装置通过分子泵抽真空来模拟太空真空环境；通过热电偶温度计测温，风冷压缩机制冷降温，使用电热丝制热升温来确保恒定低温，模拟太空低温恒温环境；通过太阳模拟器与衰减片组合实现远日星体低光强环境，为深空太阳电池深空性能测试提供了试验条件。
与现有技术相比，本发明能够确保光源透过窗口照到舱内待测电池表面；能够通过更换不同透光率的衰减片实现低光强；通过无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪器能够提供真空低温等环境条件。
实施例四
如图4所示，本发明在实施例一所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的基础上，具体公开了一种试验方法，包括以下步骤：
S1、根据待测电池样品尺寸及服役环境，确定所需低温条件，所需光照强度，所需PCB板引线格式；
S2、整理装置，安装衰减片；
具体的，将衰减片2作为光学窗口安装在低温恒温舱1上，所述低温恒温舱1纵向放置，其光学窗口正对太阳模拟器3下方，确保光源透过光学窗口照到舱内待测电池表面；无油分子泵4、风冷压缩机5、温度控制仪6以及电学测试***7均通过波纹管与低温恒温舱1连接。
S3、样品放置，检查光路与测试线路；
具体的，将待测样品放置于样品固定台上，通过探针连接电池电极，通过真空法兰的测试线连接探针与测试设备，确认无断触后即可关闭舱门。
S4、打开无油分子泵4，将低温恒温舱1抽成真空环境；
具体的，低温恒温舱1的真空环境，量级约为10-3～10-4Pa。
采用上述方案，一方面是为了模拟太空中的真空环境，另一方面是防止空气中的水汽附着在电池上，造成短路等电气问题。
S5、打开风冷压缩机5，温度控制仪器6设置所需温度；
风冷压缩机给冷头持续降温，通过铜管将温度传给样品固定台；由于风冷压缩机是只能制冷，所以在冷头上装上了热电偶，如果温度低于设定温度，热电偶自动开启，实现升温。通过冷头和热电偶相互配合工作，可将温度长时间稳定在设定温度处。
具体的，温度范围控制在10K～300K。
S6、打开太阳模拟器3，进行光源校准；
具体的，使用标准太阳电池进行测试，调节太阳模拟器光照强度，使标准样品的短路电流密度达到标准值，即完成校准。
S7、通过电学测试***7进行光电性能测试。
图5-7为采用本申请提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法得到的测试曲线：
图5是正向三结电池在0.032倍太阳光强、300K-15K温度下的光IV曲线，从图5可以看出，随着温度的降低，电池输出最大电流(与y轴交点)下降，输出最大电压(曲线与x轴交点)逐渐增加；
图6是单结电池的在不同温度条件下的低温量子效率测试曲线，从图6可以看出，随着温度降低，电池的吸收波长(横轴范围)在逐渐减小；
图7是正向三结太阳电池在123K、0.37倍太阳光强下辐射前(辐照前BOL，插图)与辐射后的(辐照后EOL，大图)的光IV曲线，图中起点为0的曲线是暗IV(未加光照)曲线，起点不为零的平滑曲线是暗特性曲线整体向下平移获得的，曲折的线是测试的光IV曲线。光特性曲线与平移后的暗特性曲线与坐标轴围成的面积的比值，可以用于衡量填充因子(衡量电池输出性能的参数)，对比BOL和EOL，可以看出低温辐射后电池的填充因子在下降。
现有技术中的电池性能测试主要包括光特性测试，量子效率测试，并且这些测试均是在室温下进行的，辐射实验也是在室温下进行的。由图5-7可以看出，本发明提供的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，达到了低温、低光强、强辐射环境，且能够实现低温低光强光特性测试，低温量子效率测试、低温辐射原位测试。
Claims (10)
1.一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，包括低温恒温舱、光源、无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***；
所述光源位于所述低温恒温舱上方；
所述温度控制仪上安装有热电偶；
所述无油分子泵、风冷压缩机、温度控制仪以及电学测试***均通过波纹管与所述低温恒温舱连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，所述光源由太阳模拟器发出。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，还包括衰减片，所述衰减片作为光学窗口安装在所述低温恒温舱上，且所述低温恒温舱纵向放置，所述光学窗口位于所述光源正下方。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，所述低温恒温舱横向放置，且所述低温恒温舱顶部设置有玻璃窗口；
所述光源位于玻璃窗口的正上方，所述光源是波长可变的单色光源，且所述单色光源左右两侧分别设置有两个偏置光源。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，所述低温恒温舱横向放置，且所述低温恒温舱设置有4个窗口，顶部窗口为钛窗，侧边及底边窗口为玻璃窗。
6.根据权利要求5所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置，其特征在于，还包括电子加速器，所述电子加速器位于所述钛窗的正上方，所述太阳模拟器发出的光源经折射镜折射后正对所述低温恒温舱的侧边的玻璃窗。
7.一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据待测电池样品尺寸及服役环境，确定所需低温条件，所需光照强度，所需PCB板引线格式；
S2、整理装置，安装衰减片；
S3、样品放置，检查光路与测试线路；
S4、打开无油分子泵，将低温恒温舱抽成真空环境；
S5、打开风冷压缩机，在温度控制仪器设置所需温度；
S6、打开太阳模拟器，进行光源校准；
S7、通过电学测试***进行光电性能测试。
8.根据权利要求7所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：将待测样品放置于样品固定台上，通过探针连接电池电极，通过真空法兰的测试线连接探针与测试设备，确认无断触后即可关闭舱门。
9.根据权利要求7所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S4中低温恒温舱的真空环境，量级约为10-3～10-4Pa。
10.根据权利要求7所述的一种基于太阳电池低温低光强综合试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S5中温度范围控制在10K～300K。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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