一种嵌入式模块化空间太阳电池阵及其制作方法
阅读说明：本技术 一种嵌入式模块化空间太阳电池阵及其制作方法 (Embedded modular space solar cell array and manufacturing method thereof ) 是由 唐道远 徐建明 马宁华 蒋帅 吴敏 刘文辉 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种嵌入式模块化空间太阳电池阵及其制作方法,所述的太阳电池阵包括若干正六边形的太阳电池单片、若干正六边形的基板和蜂窝式铰链支架；所述的太阳电池单片包括正六边形的单片本体、集成式旁路二极管和互联片；所述的基板包括正六边形的基板本体、若干绝缘带和若干基板导电带；所述的铰链支架能够伸展和压缩,构成蜂窝式结构；将所述的太阳电池单片贴附在所述的基板中心,组成太阳电池模块；将所述的太阳电池模块嵌入所述的支架单体后,形成若干串联回路。本发明的空间太阳电池阵提高了制作容错性及标准化程度；支架、电池模块单元可分开发射,实现太阳电池阵在轨组装；在轨运行期间,可以对发生损坏的模块单元进行替换。(The invention discloses an embedded modular space solar cell array and a manufacturing method thereof, wherein the solar cell array comprises a plurality of regular hexagonal solar cell single sheets, a plurality of regular hexagonal substrates and a honeycomb type hinge support; the solar cell single piece comprises a regular hexagonal single piece body, an integrated bypass diode and an interconnection piece; the substrate comprises a regular-hexagon substrate body, a plurality of insulating tapes and a plurality of substrate conductive tapes; the hinge support can be extended and compressed to form a honeycomb structure; attaching the solar cell single sheet to the center of the substrate to form a solar cell module; and after the solar cell module is embedded into the support monomer, a plurality of series loops are formed. The spatial solar cell array improves the manufacturing fault tolerance and the standardization degree; the bracket and the battery module unit can be separately transmitted, so that the on-orbit assembly of the solar battery array is realized; during operation of the rail, the damaged modular unit can be replaced.)
技术领域
本发明属于光伏电池领域，具体涉及一种嵌入式模块化空间太阳电池阵及其制作方法。
背景技术
空间太阳电池阵作为航天器主电源，其功能是在光照期将光能转换为电能为航天器供电，同时还可以为储能电源充电。按照基本构型可分为4大类，即：体装式、刚性平板式、半刚性和柔性太阳电池阵。刚性平板式结构简单可靠，刚度较大，对空间粒子有一定的屏蔽效应，应用最为普遍。传统的空间太阳电池阵设计是以航天器总体技术指标为依据，每一个电池阵都是定制产品，制作出来以后难于对其输出特性进行修改和调整。在太阳电池阵生产、组装、调试过程中，如果其中部分电池单片发生损坏，将难于进行修复，直接影响电池阵整体性能输出，甚至使整个电池阵报废。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统空间太阳电池阵不具备模块化结构，设计制作过程中灵活性及标准化程度低，且部分电池单片发生损坏后难于更换，不具备在轨维护功能的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种嵌入式模块化空间太阳电池阵，包括若干正六边形的太阳电池单片、若干正六边形的基板和蜂窝式铰链支架；
所述的太阳电池单片包括正六边形的单片本体、集成式旁路二极管和互联片；所述的集成式旁路二极管设于所述的单片本体上；所述的互联片包括与旁路二极管相连的旁路二极管互联片、与正极相连的正极互联片和与负极相连的负极互联片；
所述的基板包括正六边形的基板本体、若干绝缘带和若干基板导电带，所述的基板本体的尺寸大于所述的单片本体，所述的绝缘带和基板导电带贴附在所述的基板本体的侧面；
所述的铰链支架能够伸展和压缩，其由若干个正六边形的支架单体组成，所述的支架单体相互连接，构成蜂窝式结构；
将所述的太阳电池单片贴附在所述的基板中心，所述的互联片能够连接在所述的基板导电带上，组成太阳电池模块；将所述的太阳电池模块嵌入所述的支架单体后，形成若干串联回路；所述的支架单体与所述的基板导电带相对应的位置为支架导电带；
同一串联回路中，单个太阳电池模块的正极互联片，通过基板导电带和支架导电带，与相邻的单个太阳电池模块的负极互联片相连，使该串联回路导通；
同一串联回路中，单个太阳电池的旁路二极管互联片，通过基板导电带和支架导电带，与相邻的单个太阳电池模块的正极互联片或负极互联片相连，以保护电路；
属于不同串联回路中的两个相邻的太阳电池模块之间，通过所述的绝缘带电气隔离。
优选地，所述的支架单体除支架导电带之外的部分采用绝缘材料。
优选地，所述的支架单体内侧设有凸块，所述的凸块与所述的太阳电池模块侧面不贴附绝缘带和基板导电带的位置对应设置，使所述的太阳电池模块嵌入所述的铰链支架后，能够卡紧。
优选地，相邻的两个所述的支架单体的连接顶点处设有转轴，所述的支架单体的边框为合页，所述的合页能够以转轴为中心转动，实现铰链支架的伸展和压缩。
优选地，所述的互联片为银互联片。
优选地，所述的基板导电带和支架导电带为铜导电带。
优选地，所述基板的外表面贴有绝缘薄膜，所述的基板导电带和绝缘带贴附在所述的绝缘薄膜外。
优选地，所述的基板为铝蜂窝碳纤维板。
优选地，所述的基板的边缘填充发泡胶。
本发明还提供了一种制作述的嵌入式模块化空间太阳电池阵的方法，包括：
步骤1，采用MOCVD工艺在Ge衬底晶圆片外延电池结构生长，制备前电极金属栅线和金属背电极，沉积减反射膜，得到太阳电池裸片；
步骤2，将步骤1得到的太阳电池裸片切割为正六边形单片，并腐蚀其边缘，在其顶边上制作集成式旁路二极管，焊接互联片，将抗辐照玻璃盖片粘贴固化，得到太阳电池单片；
步骤3，将铝蜂窝碳纤维板切割为正六边形，其尺寸大于步骤2制得的太阳电池单片，先在其切割边缘填充发泡胶，其表面粘贴聚酰亚胺绝缘薄膜，再在其侧面粘贴聚酯绝缘带和基板导电带，得到基板；
步骤4，将步骤2制得的太阳电池单片粘贴至步骤3制得的基板上，将所述的互联片焊接至所述的基板导电带上，得到太阳电池单元模块；
步骤5，制作支架单体，将支架单体通过转轴相互连接，组成蜂窝式铰链支架；
步骤6，将步骤4制得的太阳电池单元模块安装至步骤5制得的铰链支架内，组成所述的太阳电池阵。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种嵌入式模块化空间太阳电池阵制作方法，电池单片采用正六边形设计，提高了晶圆材料的利用率；太阳电池单片与基板结合组成模块化单元，提高了制作容错性及标准化程度；根据输出电性能指标对支架尺寸及嵌入单元数量进行调整，提高了电池阵设计的灵活性；太阳电池单元模块嵌入式组装方式，降低了太阳电池阵组装难度；蜂窝式铰链支架具有伸缩功能，支架、电池模块单元可分开发射，实现太阳电池阵在轨组装；在轨运行期间，可以对发生损坏的模块单元进行替换，提高了太阳电池阵在轨维护能力。
附图说明
图1为本发明的太阳电池单片结构示意图。
图2为本发明的铝蜂窝碳纤维基板结构示意图。
图3为本发明的太阳电池单元模块结构示意图。
图4为本发明的蜂窝式铰链支架结构示意图。
图5为本发明的蜂窝式铰链支架局部结构示意图。
图6为本发明的太阳电池阵结构示意图。
图中，1-太阳电池单片，11-集成式旁路二极管，12-互联片，121-旁路二极管互联片，122-正极互联片，123-负极互联片，2-基板，21-基板导电带，22-绝缘带，23-绝缘薄膜，3-太阳电池单元模块，4-铰链支架，41-支架单体，42-支架导电带，43-凸块，44-转轴，45-合页。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
现有的空间太阳电池都是将电池单片贴附在基板上。由于电池单片在基板上是不可拆卸的，当单个太阳电池单片发生损坏时，无法对单个太阳电池单片进行拆卸替换，只能整体替换该基板。由于替换基板的成本较高，因此，往往会等到损坏的太阳电池单片的数量达到一定程度，严重影响空间太阳电池阵功能时，才会对基板进行更换。由此带来的弊端是，太阳电池阵的性能会逐渐降低。随着空间应用技术的发展，为延长航天器使用寿命，提高有效载荷利用率，“可在轨维护”能力被提出并重视起来。为此需要对太阳电池阵进行模块化设计，提高电池阵在设计制作过程中的灵活性及标准化程度，同时在轨运行期间，可对太阳电池阵中损坏的电池单元进行更换，维持太阳电池阵长期处于良好运行状态。
本发明提供了一种嵌入式模块化空间电池阵，包括正六边形的太阳电池单片、正六边形的基板和蜂窝式铰链支架。
如图1所示，太阳电池单片1包括一个集成式旁路二极管11和六个互联片12；所述的集成式旁路二极管11设于所述的太阳电池单片1的顶边；所述的互联片12中，一个为旁路二极管互联片121，与所述的集成式旁路二极管11相连；三个为正极互联片122，与正极相连，分别设于所述的太阳电池单片的左上边、右上边和底边上；两个为负极互联片123，与负极相连，分别设于所述的太阳电池单片的左下边和右下边上。优选地，所述的互联片12为银互联片。
如图2所示，所述的基板2包括两个绝缘带22和六个基板导电带21，所述的绝缘带22和基板导电带21均贴附在所述的基板2的侧面上；所述的绝缘带22分别贴附在所述的基板2的左上侧面和左下侧面、右上侧面和右下侧面的连接处；所述的基板导电带21中，四条分别贴附在所述的基板2的左下侧面和底侧面、左上侧面和顶侧面、右下侧面和底侧面、右上侧面和顶侧面的连接处，其边缘均不超过所述的基板侧面的中心；两条分别贴附在所述的顶侧面和底侧面上，所述的基板导电带21之间不相互接触。优选地，所述的基板导电带21为铜导电带。所述基板2的外表面贴有绝缘薄膜23，所述的基板导电带21和绝缘带22贴附在所述的绝缘薄膜23外。所述的基板2为铝蜂窝碳纤维板，其边缘填充发泡胶，使切割后的基板2的边缘变得整齐平滑。
如图3所示，所述基板2的尺寸大于所述的太阳电池单片1，所述的太阳电池单片1贴附在所述的基板2上，位于所述基板2的中心，组成太阳电池模块3；所述的互联片12焊接在所述的基板导电带21上。
如图4所示，所述的铰链支架4能够伸展和压缩，其由若干个正六边形支架单体41组成，所述的支架单体41相互连接，组成蜂窝式结构，所述的太阳电池模块3能够嵌入所述的支架单体41中。所述的支架单体41与所述的基板导电带21相对应的位置为支架导电带42，通过基板导电带21和支架导电带42的导电作用，实现上下相邻的两个太阳电池模块3之间的串联。优选地，支架导电带42为铜导电带。优选地，所述的支架单体41除支架导电带之外的部分采用绝缘材料。所述的支架单体41内侧设有凸块43，所述的凸块43与所述的太阳电池模块3侧面不贴附绝缘带22和基板导电带21的位置对应设置，使所述的太阳电池模块3嵌入所述的铰链支架4后，能够卡紧。
如图5所示的一个实施例中，相邻的两个所述的支架单体41的连接顶点处设有转轴44，所述的支架单体41的边框为合页45，所述的合页45能够以转轴44为中心转动，实现铰链支架4的伸展和压缩。
如图6所示，将太阳电池模块3安装在铰链支架4内，得到本发明的太阳电池阵。
以图6中的太阳电池模块A、B和C为例：
A的太阳电池单片左上边和右上边的正极互联片，通过基板导电带和支架导电带，与B的太阳电池单片左下边和右下边的负极互联片电连接，实现A和B的串联。A的太阳电池单片顶边的旁路二极管通过互联片与B的太阳电池底边的正极互联片，通过基板导电带和支架导电带电连接，避免串联组件引起的热斑效应，对电池进行旁路保护。同时，由于贴附在A的基板上的左上侧面和顶侧面连接处的基板导电带的边缘不超过左上侧面的中心，贴附在C的基板上的右下侧面和底侧面连接处的基板导电带的边缘不超过右下侧面的中心，使A的太阳电池单片的左上边的正极互联片，不会与C的太阳电池单片的右下边的负极互联片电连接。因此，A和B所在竖列的太阳电池模块之间相互串联，C所在竖列的太阳电池模块之间相互串联。在相邻两个竖列的太阳能电池模块的末端引出导线，使每列太阳能电池模块相互并联，实现本发明太阳电池阵的电连接。
实施例
一种嵌入式模块化空间太阳电池阵制作方法，将太阳电池单片与铝蜂窝碳纤维基板结合组成模块化单元，太阳电池单元模块嵌入蜂窝式铰链支架完成太阳电池阵组装，可以根据输出电性能对支架尺寸及嵌入单元数量进行调整，可以实现太阳电池阵在轨组装和在轨维护。具体制作步骤为：
(1)太阳电池片裸片制作，包括：采用MOCVD工艺在Ge衬底晶圆片外延电池结构生长，制备前电极金属栅线，制备金属背电极，沉积减反射膜。所述Ge衬底晶圆片尺寸可以是4英寸、6英寸或其他尺寸。外延电池结构可以是目前空间中普遍采用的三结砷化镓电池结构，也可以是单结、双结、多结等其他类型的砷化镓太阳电池结构。通过光刻、刻蚀、蒸镀工艺制备前电极金属栅线，通过腐蚀、蒸镀工艺制备背电极，通过光刻、选择性腐蚀、蒸镀工艺制备减反射膜。栅线形状及布局进行优化设计，以利于收集电流。
(2)太阳电池单片制作，包括：切割为正六边形单片，边缘腐蚀，集成式旁路二级管制作，互联片焊接，抗辐照玻璃盖片黏贴固化。所述正六边形近似内接于电池圆片，以提高晶圆利用率。边缘腐蚀工艺可以避免切割引起的电极短路。集成式旁路二极管可以避免热斑效应，对电池进行旁路保护。互联片材料可以采用纯Ag材料，也可以采用可伐镀Ag材料。
(3)铝蜂窝碳纤维基板制作，包括：正六边形铝蜂窝碳纤维板制备，聚酰亚胺绝缘薄膜粘贴，侧面铜基板导电带及聚酯绝缘带粘贴。所述铝蜂窝碳纤维板为空间电池阵常用的材料，正六边形铝蜂窝碳纤维板的尺寸略大于太阳电池单片。在铝蜂窝碳纤维板内填充发泡胶可使切割边缘变得整齐平滑，也可以采用碳纤维边框与铝蜂窝碳纤维板一体成型工艺以提高边缘强度。聚酰亚胺绝缘薄膜粘贴在铝蜂窝碳纤维板表面可以提供优质的绝缘层。铜基板导电带为太阳电池互联片焊接区域，聚酯绝缘带在太阳电池单元模块嵌入铰链支架时起到固定及电绝缘的作用。
(4)太阳电池模块制作，包括：太阳电池单片与铝蜂窝碳纤维基板的粘贴，互联片与铜基板导电带的焊接。所述的太阳电池单片与铝蜂窝碳纤维基板采用空间级硅橡胶材料黏贴，互联片与铜基板导电带的焊接采用电阻焊工艺。
(5)蜂窝式铰链支架制作，包括：边框制备，导电式铰链制备，蜂巢支架组装。所述边框主体结构为聚酯材料，边框中心设有导电铜带及卡紧结构，根据铜带形状不同有两种规格。边框通过三合页式铰链连接，支架可以伸展为蜂窝状结构，也可以压缩为扁平结构。
(6)太阳电池阵组装，即将太阳电池模块嵌入式装进蜂窝式铰链支架内。所述将太阳电池模块嵌入式装进蜂窝式铰链支架内，使得电池单元模块中侧面铜基板导电带与支架导电带良好接触，同时凸块作为卡紧结构可以将太阳电池单元模块与蜂窝式铰链支架固定。
综上所述，本发明提供的一种嵌入式模块化空间太阳电池阵及其制作方法，电池单片采用正六边形设计，提高了晶圆材料的利用率；太阳电池单片与基板结合组成模块化单元，提高了制作容错性及标准化程度；根据输出电性能指标对支架尺寸及嵌入单元数量进行调整，提高了电池阵设计的灵活性；太阳电池单元模块嵌入式组装方式，降低了太阳电池阵组装难度；铰链式蜂巢支架具有伸缩功能，支架、电池模块单元可分开发射，实现太阳电池阵在轨组装；在轨运行期间，可以对发生损坏的模块单元进行替换，提高了太阳电池阵在轨维护能力。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。