一种大面积空间全柔性太阳电池阵模块的制备方法

本发明属于空间能源系统。

背景技术：

1、随着我国航天技术的飞速发展，在载人航天、遥感探测、空间站以及深空探测等领域，长寿命、大功率、高可靠性的空间电源系统是未来我国空间电源技术面临的重要挑战之一。太阳电池阵作为在轨航天器的主要供电来源，是保证航天器在轨用电需求并顺利服役的重要组件之一。近年来，太阳电池阵的发展主要体现在两个方面，一方面，基于空间太阳能电站、深空探测等任务需求，需开发出大面积、轻量化、高效率、高可靠性太阳电池阵；另一方面，商业航天、微纳卫星、临近空间飞行器等任务也对太阳电池阵的轻量化、低成本、高集成度等方面提出了新的挑战。

2、太阳电池阵主要分为刚性太阳电池阵、半刚性太阳电池阵和柔性太阳电池阵。目前大多数在轨航天器采用刚性太阳电池阵列而不是柔性阵列。造成这种现象的主要原因为：从低功率到中等功率范围内，刚性太阳电池阵列的设计成熟度高，且不需要复杂的机械结构和控制机制。然而，随着航天器长寿命、高载荷比、大功率和轻量化设计目标的提出，对太阳电池阵列的可靠性和功率需求大大增加。在该种情况下，由于运载火箭载荷体积、载荷重量、发射成本等限制，刚性阵列的设计和综合性能方面存在一定的局限性。例如：更大面积的展开面板和更复杂的铰链机构，这使得刚性阵列的地面组装部署和空间环境下的展开运动学变得更加复杂。这些局限性使得柔性太阳电池阵变得更具吸引力，因为它相比于传统的刚性太阳电池阵具有更高的体积能量密度(w/m3)和比功率(w/kg)。

3、但现有所制备的柔性太阳电池阵模块有以下几个弊端：

4、1、表面屏蔽材料主要由聚合物材料(透明聚酰亚胺、聚硅氧烷类薄膜、etfe膜、ptfe膜等材料)制成，在空间环境存在的带电粒子、原子氧等辐射会对材料发生侵蚀，极易发生光学性能的退化，导致太阳电池阵输出功率的降低；

5、2、现有赝型玻璃盖片其初始光学性能较差，透过率仅为85％左右，其在空间中应用会使太阳电池阵的输出功率有较大的损失。

6、3、现有方法利用的层压工艺制备的太阳电池阵，在实际服役条件下极易引起电池层间的脱粘现象，进而导致电池阵组件损伤甚至失效。

技术实现思路

1、本发明要解决现有柔性太阳电池阵模块存在屏蔽层透过率、输出功率低、无法实现大面积制备，且在实际服役条件下易脱粘的问题，而提供一种大面积空间全柔性太阳电池阵模块的制备方法。

2、一种大面积空间全柔性太阳电池阵模块的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

3、一、对聚酰亚胺柔性上基板下表面进行开槽，将电缆设置于槽内，然后在聚酰亚胺柔性上基板下表面依次粘接纤维网格和聚酰亚胺柔性下基板，并进行一次层压，得到预埋电缆和纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板；

4、二、使用电阻焊法将薄膜太阳电池进行串联或并联连接，组成太阳电池阵列模块；

5、三、在预埋电缆和纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板上涂覆底片胶，将太阳电池阵列模块置于底片胶上；

6、四、将硅橡胶与含铈玻璃微珠混合，然后排泡并静置，得到硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合物；

7、所述的含铈玻璃微珠的粒径为25.4μm～78.1μm；所述的硅橡胶与含铈玻璃微珠的质量比为1:(0.5～4)；

8、五、涂覆硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合物，将太阳电池阵列模块上表面及四周包覆，得到柔性太阳电池阵模块，然后使用层压机对柔性太阳电池阵模块进行三次层压，得到固化后的柔性太阳电池阵模块；

9、所述的三次层压具体是按以下步骤进行：①在柔性太阳电池阵模块上下两侧均施加30kpa～200kpa的压力，在第一次层压温度为40℃～100℃及两侧压力均为30kpa～200kpa的条件下，层压10min～120min；

10、②待温度降低为室温进行第二次层压，在柔性太阳电池阵模块下侧施加5kpa～20kpa的压力，在室温及下侧压力为5kpa～20kpa的条件下，层压10min～120min；

11、③在柔性太阳电池阵模块上侧施加5kpa～20kpa的压力，在室温及上侧压力为5kpa～20kpa的条件下，层压5min～90min；

12、④待层压机压力恢复至常压后，取出并室温固化；

13、六、对固化后的柔性太阳电池阵模块进行刻蚀或模具压制，形成表面陷光结构，即得到大面积空间全柔性太阳电池阵模块；

14、所述的大面积空间全柔性太阳电池阵模块中预埋电缆和使用纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板的厚度为0.2μm～0.8μm，底片胶的厚度为50μm～150μm，太阳电池阵列模块上表面硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合层的厚度为50μm～250μm。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明使用硅橡胶和含铈玻璃微珠混合物作为辐射屏蔽层，硅橡胶和铈玻璃微珠填充的混合物能够有效地屏蔽空间环境中的带电粒子辐照，降低太阳电池阵的静电放电风险，提升放电阈值，提升太阳电池阵的抗辐照性能及航天器在轨服役的可靠性。而且本发明对太阳电池阵表面屏蔽层进行改性，形成陷光结构，入射光进入太阳电池后产生微聚焦效应，使得在太阳电池辐射损伤波长560nm处，透过率达到93.7％，进一步提升太阳电池阵的输出性能，提升太阳电池阵得开路电压和短路电流，制备的大面积空间全柔性太阳电池阵模块短路电流为0.46a，开路电压为8.13v，最大功率为3.21w；在辐照能量为1mev，辐照剂量率为1×1011cm-2·s-1、辐照注量为1×1015e/cm2的条件下进行电子辐照后，短路电流为0.44a，开路电压为7.56v，最大功率达到2.88w。

17、2、本发明太阳电池阵模块利用屏蔽层中的硅橡胶为粘接层，解决了层间材料应力失配问题，而且省略粘接层可大大缩短制备时间及制备成本。

18、3、本发明使用三次层压技术，首次层压为高温、高压层压，主要将电池阵层间气泡排出，并使硅橡胶进行初步固化；待恢复至室温后，二次层压将上层进行固定，下层进行加压，避免电池阵基板材料与太阳电池出现移位；三次层压将下层进行固定，上层进行加压，进一步提升屏蔽层与太阳电池的粘接力，避免脱粘、气泡和析气问题。使用三次层压技术后，太阳电池阵整体的断裂伸长率可达到124％。

19、4、本发明针对特定轨道设计合适的参数：服役环境为低地球轨道时，预埋电缆和使用纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板的厚度为0.4μm～0.8μm，太阳电池阵列模块上表面硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合层的厚度为50μm～200μm，所述的硅橡胶与含铈玻璃微珠的质量比为1:(0.5～4)，所述的含铈玻璃微珠的粒径为21.8μm～31.8μm；

20、服役环境为中地球轨道时，预埋电缆和使用纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板的厚度为0.7μm～0.8μm，太阳电池阵列模块上表面硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合层的厚度为120μm～200μm，所述的硅橡胶与含铈玻璃微珠的质量比为1:(1～4)，所述的含铈玻璃微珠的粒径为27.4μm～45.6μm；

21、服役环境为地球同步轨道时，预埋电缆和使用纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板的厚度为0.3μm～0.8μm，太阳电池阵列模块上表面硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合层的厚度为100μm～200μm，所述的硅橡胶与含铈玻璃微珠的质量比为1:(1～4)，所述的含铈玻璃微珠的粒径为27.4μm～45.6μm；

22、当步骤六制备的大面积空间全柔性太阳电池阵模块服役环境为深空探测轨道时，所述的大面积空间全柔性太阳电池阵模块中预埋电缆和使用纤维网格加固的柔性聚酰亚胺基板的厚度为0.5μm～1.0μm，太阳电池阵列模块上表面硅橡胶和含铈玻璃微珠的混合层的厚度为180μm～250μm，所述的硅橡胶与含铈玻璃微珠的质量比为1:(1～4)，所述的含铈玻璃微珠的粒径为31.8μm～55.2μm。

23、5、本发明使用一体化基板材料和大面积封装工艺的空间柔性太阳电池阵模块面密度仅为660g/m2，相比于传统刚性太阳电池阵，其面密度降低了三分之一，能够有效地减轻太阳电池阵重量，降低航天器发射成本。

24、综上所述，本发明在提升空间太阳电池阵输出功率、断裂伸长率的同时，有效降低了面密度，且具有和刚性盖片相类似的辐射屏蔽性能，可有效提升航天器的服役可靠性。

25、本发明用于一种大面积空间全柔性太阳电池阵模块的制备方法。