刘治钢 王飞 陈燕 黄三玻 郭伟峰 林文立

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2上海空间电源研究所，上海 200233）

火星表面环境对太阳电池阵设计影响分析与对策

刘治钢1王飞1陈燕1黄三玻2郭伟峰1林文立1

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2上海空间电源研究所，上海 200233）

通过调研与分析NASA火星表面探测任务获取的火星表面光照、温度、尘埃等数据，从光强、光谱、直射光与散射光等方面分析了火星表面光照条件对三结砷化镓太阳电池伏安特性的影响，以及火星尘埃对太阳电池输出功率的影响。从降低光谱失配和减小尘埃影响的角度，提出了火星光谱匹配太阳电池和太阳电池阵尘埃防护设计思路，以提升三结砷化镓太阳电池在火星表面的发电能力和生存能力，可为我国火星表面探测任务太阳电池阵优化设计提供参考。

火星表面环境；太阳电池；光谱匹配；尘埃防护

1 引言

火星是与地球最近的类地行星，因此多个航天国家都极为重视对火星的探测。在过去数十年中，美国、俄罗斯、欧洲、日本及印度向火星发射了42次火星探测任务，成功或部分成功22次，其中4个着陆器成功着陆火星，4辆火星车登陆火星，获得了关于火星大气、土壤等大量科学数据。火星表面探测（着陆与巡视）是从微观层面获取火星表面气候、大气成分、土壤、岩石等科学数据的最直接方式。由于受到火星表面光照条件、大气、尘埃等因素影响，探测器电源系统设计须要满足苛刻的要求。目前，除美国2012年发射并成功开展巡视探测任务的好奇心号火星车采用同位素温差发电器（RTG）外，其余着陆与巡视探测任务，如海盗号、“火星探路者”、“火星探索漫游者”（勇气号、机遇号）和凤凰号均采用太阳电池作为电源系统发电部件。为验证火星表面光谱对太阳电池发电的影响，勇气号和机遇号火星车通过携带光谱标定设备对火星光谱进行测量，获得了火星直射光和散射光的测量数据［1］。通过测量火星表面光谱，NASA于2004年启动了火星光谱匹配的火星优化太阳电池技术（Mars Optimized Solar－cell Technology，MOST）研究项目［2］，旨在优化太阳电池在火星光照条件下的性能，以更好地应用于火星表面探测任务。

本文通过分析NASA火星表面探测任务获取的火星表面光照、温度、尘埃等数据，提出火星表面探测任务太阳电池阵设计的影响因素，以及针对性的设计措施，可为我国火星表面探测任务电源系统设计提供参考。

2 火星表面环境对太阳电池阵影响因素分析

影响太阳电池阵输出功率的主要火星表面环境因素包括太阳光强、光谱等光照条件，以及火星表面温度、尘埃累积量等因素［3］。

2．1 光照条件

1）光强

火星上的平均太阳光强只有地球的0．43，目前国际上通常采用的地球轨道光强为1353W/m2，而火星运行轨道的平均光强为590W/m2。此外，火星的光强随着与太阳的距离变化还会有±19%的波动，为493～717W/m2［3－4］。

2）光谱

到达火星表面的光谱受大气和尘埃的影响，强度更弱，具体分布随经纬度的不同而有所差异。相比地球轨道的AM0（表示大气质量为0，即真空情况）光谱，火星光谱蓝光段较弱，红光和红外光段较强。勇气号和机遇号火星车携带了光谱测量仪，对火星表面光谱进行测量，结果如图1所示［1］。研究结果表明：太阳光谱经过尘埃后，光谱透过率（光线通过火星大气后的衰减情况）在蓝紫光谱段数值小于在红光及近红外谱段，影响透过率的因素主要有介质的吸收与反射。火星表面的大气成分主要有二氧化碳和尘埃，二氧化碳的吸收谱段主要在红外谱段，在可见光谱段基本没有吸收，由此可以推测出火星表面尘埃对光谱的调制作用更为显著；另一方面，随着太阳高度角（与水平面夹角）的减小，光谱透过率整体减弱，这主要是由于太阳光经过火星表面大气的光程增加，气体与尘埃对光强的衰减作用所致。蓝紫光谱段光谱透过率的减小，将直接影响太阳电池片的结构设计。因此，针对AM0光谱开发的三结砷化镓太阳电池，在火星表面光照条件下的性能会发生变化，原本匹配的结间电流会出现失配，影响电池的输出功率。假定在AM0光照条件下，多结太阳电池的各子电池的光电流是平衡的，那么在火星表面光照条件下，多结太阳电池中的顶电池将具有最小的光电流，进而限制整个电池的电流。NASA根据“火星探索漫游者”测得的光谱进行试验，结果见表1［1］。可见，在模拟火星光谱条件下，三结砷化镓顶电池（镓铟磷，GaInP）电流的损失最大，而且损失系数与太阳高度角也有一定关系，当太阳高度角较小时，性能衰减更为严重。例如，在34°太阳高度角时，三结砷化镓顶电池电流仅为标准值的86．2%，损失了13．8%，而三结砷化镓中电池（砷化镓，GaAs）电流变为标准值的102．8%，增加2．8%，因此顶电池和中电池电流的失配度将达到16．6%。

3）直射光与散射光

受火星大气中尘埃的多次反射作用，最终到达火星表面的光照可以分为直接光照（直射光）和间接光照（散射光）。即使最好的尘埃条件下（光深约为0．2），在火星表面接收到的总光照中，散射光约占50%。图2为勇气号在波长为400～1000nm处测得的散射光与直射光对比情况［1］。可见，光深约为0．93时，在长谱段和太阳高度角较小处，散射光所占比重较大，甚至可能超过直射光。粒子对光线的散射作用主要包含瑞利散射、米氏散射等。对于瑞利散射，散射强度与波长的4次方成反比；对于米氏散射，散射强度与波长的2次方成反比。也就是说，均呈现散射强度随波长的增加而减小的趋势，进而影响太阳电池对不同谱段太阳光的吸收率。

2．2 温度

火星表面温度受海拔高度、季节、每日具体时刻以及自身的表面性质影响。火星自转周期约为24h37min，与地球大体相同。大气对火星起到一定的保温效果，在0°～30°纬度范围内，火星表面温度白昼最高为＋27℃，夜晚最低为－103℃［3－4］。从机遇号实测太阳电池阵温度（见图3［5］）可以看出：最高温度范围为－16～＋30℃，出现在春分点至夏至点之间；最低温度范围为－115～－60℃，一般在火星日早晨测得，因此随季节无明显变化。

太阳电池阵的输出电压、输出电流与温度密切相关，通常对于三结砷化镓太阳电池，温度对输出电压的影响系数为－6．5～－7．2mV/℃，对输出电流的影响系数为0．006～0．014mA/（cm2·℃）。假设在40℃，0℃，－20℃温度点时的光强及入射角相同，太阳电池在－20℃时的最大输出功率比40℃时的超出约15%。

2．3 尘埃

大气中尘埃的数量可以由光深参数量化。海盗号的光深在0．4～3．0变化，典型值为0．5。“火星探路者”在100h测量时间内，光深变化为0．4～0．7［6］。勇气号和机遇号的太阳电池阵发电量及光深、尘埃因素如图4所示。勇气号在火星的第1周，光深约为0．91（蓝光，440nm）和0．95（红光，980nm）；而机遇号的第1周光深约为0．93（蓝光，440nm）和0．95（红光，980nm）。在任务初期，光深一直处于良好状态，在冬季时最低可达0．2。

受火星表面尘埃、遮挡等因素影响，火星车的太阳能利用效率降低。以勇气号、机遇号为例，NASA最初曾预估太阳电池阵在寿命初期（每天正午前后4h内）的平均输出功率为140W，而寿命末期，在电池板尘埃覆盖、火星上太阳光减弱、季节变换、太阳电池老化的共同作用下，输出功率降为50W。在实际工作过程中，勇气号、机遇号每天供电能力为300～900W·h，光深较小时输出功率相对较大，光深较大时输出功率下降较为明显。从勇气号在第568个火星日和第1358个火星日的尘埃覆盖情况（见图5），并对照图4的发电量数据可以看出：图5（a）所示的尘埃覆盖较少时（光深约为0．5），发电量约为900W·h；图5（b）所示的尘埃覆盖严重时，发电量仅约为350W·h。表2为勇气号和机遇号的光深与发电量统计。

图4 勇气号和机遇号的太阳电池阵发电量及光深、尘埃因素Fig．4 Solar array energy，light depth and dust factor for Spirit and Opportunity

图5 勇气号太阳电池阵被尘埃覆盖情况Fig．5 Solar array covered with dust for Spirit

表2 勇气号和机遇号的光深与发电量统计Table 2 Light depth and solar array energy for Spirit and Opportunity

2．4 其他因素

其他因素主要包括空间粒子辐照、带电尘埃、着陆冲击、巡视期间路面不平度引起的力学振动等。

空间粒子辐照对太阳电池阵的影响，主要是辐照总剂量对性能衰降的影响和带电粒子引起表面放电的影响。在整个任务期间，由于原子氧对火星探测器的影响较小，主要辐射来源于太阳宇宙线、银河宇宙线，辐照环境与月球探测器相似。

火星尘埃带电的主要原因是：在紫外射线和宇宙射线作用下会使尘埃带上正电荷；另外，运动的尘埃在与大气摩擦中也会带上电荷。如果太阳电池阵表面具有很高的电位，将会吸引带有异性电荷或中性电荷的尘埃。带电粒子一方面可能增加太阳电池玻璃盖片对尘埃的吸附作用，进而影响太阳电池阵的输出功率；另一方面，可能导致局部电荷累积，严重时将导致局部静电放电现象。

3 太阳电池阵设计措施

与火星环绕探测［7］不同，由于火星表面具有尘埃环境特殊、光深较大以及光谱红移的特点，常规三结砷化镓电池很难最大化地利用火星表面太阳光，因此须要对火星探测器上的太阳电池阵进行相关设计。主要措施归结为2类：①适当改变三结砷化镓电池的内部物理结构，以调节其光谱响应；②对太阳电池阵表面进行防尘设计，以减少尘埃覆盖对太阳电池阵输出功率的影响。

NASA在火星初始探测阶段，并未对太阳电池进行特殊设计，沿用了常规空间应用的三结砷化镓电池技术与产品，如勇气号与机遇号火星车。在利用先期探测器获知火星光谱光深大、蓝光光谱强度相对减弱等特性后，启动了MOST项目，对火星探测器太阳电池开展优化设计工作［2］。美国喷气推进实验室（JPL）及光谱实验室（Spectrolab）联合进行该项研究，为了模拟火星不同纬度的光照条件，共研制了2套滤镜，一套用于模拟0°～30°纬度光谱，另一套用于模拟60°纬度光谱（接近极区）。针对60°纬度光谱，在AM0通用电池的基础上研制了2种改进型电池（B型、C型）。试验结果（见表3）表明：优化后的电池在转换效率和功率上均有所提升，其中C型电池较AM0通用电池可以提升3%～8%。这意味着，若采用优化电池，勇气号和机遇号在火星上的发电量可以分别由250W和350W提高到270W和380W［8］。

3．1 火星光谱匹配太阳电池设计

三结砷化镓太阳电池在结构上由3个子电池串联而成，在伏安特性方面表现为3个电流源串联，如图6所示。各子电池有选择性地吸收和响应不同的太阳光谱段，整体电池电压是子电池电压之和减去隧穿结电压；整体电池电流满足连续性原理，流经各子电池的电流相等，输出电流受限于各子电池光电流最小者，因此三结砷化镓电池应尽可能实现各子电池的电流相等，减少电流损耗。三结砷化镓电池各子电池电流由材料带隙和吸收系数决定，底电池（锗，Ge）产生的光电流最大，约是顶电池或中电池的2倍，对整体电池电流没有限制作用，因此整体电池的输出电流由光电流较小的顶电池或中电池决定。可见，提高三结砷化镓太阳电池的性能，主要是优化顶电池和中电池及其电流匹配度。

常规空间应用的三结砷化镓电池已基本实现AM0光照条件下顶电池与中电池的电流匹配，而火星光谱中紫光光谱的减弱会使顶电池成为电流输出瓶颈，限制整个电池的电流，因此火星用太阳电池的优化工作将主要针对三结砷化镓电池的顶电池（紫光响应）展开，主要优化方向为带隙及吸收层厚度。可采取的措施包括：

（1）降低顶电池和中电池的带隙。为更好地匹配AM0光谱，对当前空间应用三结砷化镓太阳电池的顶电池和中电池的带隙都进行了优化，在满足材料晶格匹配的前提下，可基本实现顶电池与中电池的电流平衡。不过，在火星表面，太阳光经过大气和尘埃的散射与吸收作用后，蓝紫光谱段的能量衰减大于红光谱段，这将直接导致顶电池的光电流小于中电池，且会进一步增大与底电池的电流差值。在保证晶格匹配性较好的前提下，通过适当降低顶电池和中电池（尤其是顶电池）的材料带隙，使吸收边的红移保证顶电池和中电池的电流平衡，从而有利于提高电池整体电流的输出能力。

（2）降低顶电池和中电池的电流失配度。在扩大电池光谱吸收范围、提高光能整体利用率的基础上，通过调节和均衡分配顶电池和中电池的电流，降低结间电流失配度，实现电池电流输出的最大化。

图6 三结砷化镓太阳电池伏安特性示意Fig．6 V－I of 3－triplejunction GaAs solar cell

3．2 尘埃防护设计

火星尘埃对太阳电池的影响主要表现在2个方面：①火星尘埃沉积在电池表面并不断积累，增大光深，降低太阳光的透过率，使太阳电池工作环境的光谱发生改变，进而导致其输出功率下降；②火星尘埃粘附于太阳电池表面，改变了电池表面的热物理性能，从而导致电池温度升高和性能降低。因此，如何及时、有效地去除太阳电池表面覆盖的大量尘埃，保障其高效率的工作，已成为亟需解决的问题［9］。目前，主要可采用的除尘技术包括主动除尘方式和被动除尘方式，按照工作原理又可细分为6种，其特点如表4所示。在实际应用中，可根据任务需求及质量、体积等任务约束进行选择。

表4 可用于太阳电池阵的除尘技术特点Table 4 Dust－cleaning technology characteristics for solar array

4 结论与建议

通过对火星光照条件、温度、尘埃等表面环境调研，从火星表面探测任务需求出发对探测器太阳电池阵设计进行分析，可以得出结论如下。

（1）由于火星大气与尘埃对太阳光中蓝紫光的散射及吸收更为严重，太阳光谱谱型向长谱段偏移，导致AM0通用三结砷化镓太阳电池各子电池所产生的光电流发生变化，尤其降低了顶电池的输出电流，而且使顶电池和中电池电流的失配度增加，从而使三结砷化镓电池在火星光谱下的光电转换效率降低。

（2）火星表面温度变化范围在－110～＋30℃，而且随火星表面季节、纬度、当地时间、海拔等因素变化，因此要求太阳电池具备在宽温度范围内正常工作的能力。

（3）火星尘埃主要影响太阳光透过率与光谱，通常情况下，火星冬季尘埃累积情况要少于夏季。在尘埃影响下，光深典型值范围为0．2～1．0，尘暴情况下甚至可达4．0～6．0。

对于我国未来火星表面探测，对太阳电池阵和电源系统设计提出如下建议。

（1）针对火星光谱与AM0光谱差异，开展太阳电池火星光谱匹配改进设计研究，以提升在火星表面的发电能力。

（2）温度对太阳电池输出电压影响较大，针对宽温度范围，一方面，在太阳电池串联数设计时应充分考虑电压随温度变化的范围，并留有一定余量；另一方面，开展太阳电池峰值功率跟踪技术研究，以提升宽温度范围太阳电池阵输出功率的利用率。

（3）针对火星尘埃影响，应根据火星尘埃的不确定性，留有足够的设计余量；应根据任务需求，开展火星尘埃防护设计。

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［1］Geoffrey A L，Dan H．The solar spectrum on the Martian surface and its effect on photovoltaic performance［C］//Proceedings of the IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion．New York：IEEE，2006：151－154

［2］Paul M Stella，Nick Mardesich，Kenneth Edmondson．Mars optimized solar cell technology（MOST）［C］//Proceedings of the IEEE 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion．New York：IEEE，2008：84－89

［3］Barlow N G．火星：关于其内部、表面和大气的引论［M］．吴季，赵华，译．北京：科学出版社，2010：17－20 Barlow N G．Mars：an introduction to its interior，surface and atmosphere［M］．Wu Ji，Zhao Hua，translated．Beijing：Science Press，2010：17－20（in Chinese）

［4］欧阳自远，肖福根．火星及其环境［J］．航天器环境工程，2012，29（6）：591－601 Ouyang Ziyuan，Xiao Fugen．The Mars and its environment［J］．Spacecraft Environment Engineering，2012，29（6）：591－601（in Chinese）

［5］E Matz，J Appelbaum，Y Taitel．Solar cell temperature on Mars［J］．Journal of Propulsion and Power，1998，14（1）：119－125

［6］Crisp D，A V Pathare，R C Ewell．The performance of gallium arsenide/germanium solar cells at the Martian surface［J］．Acta Astronautica，2003，54（2）：83－101

［7］刘治钢，蔡晓东，杜红．火星环绕探测器电源系统设计分析［J］．航天器工程，2013，22（1）：60－64 Liu Zhigang，Cai Xiaodong，Du Hong．Analysis on power system design for Mars orbiting probe［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（1）：60－64（in Chinese）

［8］K Edmondson．Simulation of the Mars surface solar spectrum for optimized performance of triple－junction solar cells［C］//Proceedings of the 19th Space Photovoltaic Research and Technology Conference．Washington D．C．：NASA，2005：67－78

［9］袁亚飞，刘民，杨亦强．火星太阳电池翼除尘方法综述［J］．航天器环境工程，2010，27（5）：604－606 Yuan Yafei，Liu Min，Yang Yiqiang．Dust removal techniques for Mars solar arrays［J］．Spacecraft Environment Engineering，2010，27（5）：604－606（in Chinese）

（编辑：夏光）

Impact Analysis and Solution of Solar Array Design in Martian Surface Environment

LIU Zhigang1WANG Fei1CHEN Yan1HUANG Sanbo2GUO Weifeng1LIN Wenli1
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2Shanghai Institute of Space Power－sources，Shanghai 200233，China）

The data of illumination，temperature and dust on Martian surface obtained by NASA’s several Martian surface exploration missions are investigated．The influences of solar intensity，spectrum，direct and scattered light on the V－I characteristics of triple junction GaAs solar cell and solar cell’s output power are analyzed．From the point of decreasing solar spectrum mismatching and diminishing the dust influence，a design scheme of Martian surface spectrum matching solar cell and dust mitigation is raised，which can improve the energy performance of the solar cell and survival probability on Martian surface．Furthermore，it may also be used as a reference for the solar cell optimized design for China’s Mars surface exploration mission．

Martian surface environment；solar cell；spectrum matching；dust mitigation

V442

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．007

2015－07－23；

2015－11－10

国家重大科技专项工程

刘治钢，男，博士，高级工程师，研究方向为航天器电源系统总体设计。Email：bitlzg@163．com。