[发明专利]一种空间太阳电池复合互连材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种空间太阳电池复合互连材料及其制备方法，所述复合互连材料由内到外依次包括钼基体，钼银合金过渡层，以及银薄膜。本发明通过磁控溅射技术在钼箔表面先沉积钼银合金过渡层，再沉积银薄膜，在不引入非膜基第三种金属元素的情况下，实现钼基体和银薄膜之间的浸润和牢固粘结，以及热膨胀系数的平稳过渡，显著增强膜基结合强度，降低了空间太阳电池互连材料的制备成本，避免了由于引入其它元素而引起的材料的焊接界面组织结构和性能的不可控问题，以及使用时而引起的航天器信号传输干扰问题。本发明的制备方法流程简单，可在不破坏真空条件下连续进行，不仅节约了成本，提高了效率，还有利于增强膜基结合强度。

技术领域

本发明涉及互连材料技术领域，特别涉及一种空间太阳电池复合互连材料及其制备方法。

背景技术

低轨(200km～1000km)空间飞行器太阳能电池作为航天飞行器动力的来源，一方面为航天器负载提供电能，一方面为蓄电池组充电。电池板是由分离的电池片经汇流条、互连片并联或串联组成，互连片收集单个电池片上产生的电荷，并将电池片联结到一起；汇流条将每一串互联片收集的电荷进行连接、汇集一起进行输出。目前，空间飞行器使用的互连片主要是由导电性最好的金属银制成的。

低轨空间环境是一个较为复杂的环境，主要包括空间碎片、高能粒子、微陨石、空间辐射、极大的冷热温差以及原子氧和氮气分子等。其中对互连片威胁最大的是原子氧，在距海平面高于200km的原子氧浓度在10⁹atoms cm^-3数量级，当飞行器的速度为8km s^-1，撞击飞行器表面的原子氧的束流密度约为10¹⁵atoms cm^-2s，每个原子氧的能量达到4-5eV，其对互连片材料表面的刻蚀和冲击作用非常大。

一般太阳能互连片是由纯银箔冲制而成的，在帆板太阳能工作时，具有极强氧化性和高动能的原子氧与互连片表面银反应生成氧化银，氧化银就会从基体上面剥落，露出新鲜表面，周而复始，银箔会被原子氧腐蚀耗尽，从而使得太阳能电池板不能为飞行器提供动力。为了进一步防护原子氧的腐蚀，在银箔表面喷涂金膜、铝膜、聚酰亚胺、DC1140、DC1200、SWSSV10硅等，但这些方法由于较大的温差效应产生巨大的热循环应力、热疲劳等，导致涂层与银箔之间开裂和脱落。中国专利号(公告号：CN 111129193A，一种空间太阳电池用原子氧防护银互连片及制备方法)提出了一种在银箔表面镀钯作为过渡层，然后在上面镀金保护层的方法，该方法虽然缓解了原子氧的腐蚀，但由于表面涂层存在针孔，难以完全阻挡原子氧的腐蚀，同时这种方法加大了整个生产工艺的成本。虽经各种表面改性，但是衬底银箔抵御低空间环境损害的能力仍显不足，导致飞行器寿命较短。

为了克服原子氧的腐蚀，人们采用可伐合金用作太阳电池互连片，但须在可伐合金表面镀银以改善焊接性能，可伐合金与银的热物性相当，一定程度上改善了薄膜浸润性差和脱落问题。为了进一步优化界面，中国专利号(公告号：CN 102418124B，一种可伐合金互联片的镀银方法)提出了采用电镀银工艺在可伐表面预先电镀金属镍、铜作为过渡层，然后再镀银膜。但是电镀过程中由于在溶液中进行，导致镀层缺陷较多、纯度低、致密性差等问题。中国专利号(公告号：CN 106711261B，一种空间用可伐/银金属层状复合材料及其制备方法)将纯银箔-可伐合金箔-纯银箔叠成“三明治”结构的坯料，通过热轧制、在惰性气氛中退火，获得层状复合材料满足空间电子封装应用要求。但可伐合金具有磁性，易导致电子通讯信号设备受到干扰，同时在空间中易吸附一些空间碎片，易产生一些意想不到的事故。

钼及钼合金具有极好的耐热性能、高温机械性能、低的钼热胀系数和高导电、导热系数，具有非常好的耐原子氧腐蚀能力，但是可焊性较差。而银有良好的焊接性和导电性，因此制备出钼/银层状金属基复合材料，同时具备高导热性、低热膨胀系数、优越的导电性和良好的焊接性，且抗原子氧侵蚀，不具有磁性，对信号传输和其它元器件没有磁干扰。