3.1.3 砷化镓太阳电池
1）单结砷化镓太阳电池的特性
上一节所述硅太阳电池的等效电路模型和数学模型是通用的半导体太阳电池模型，单结砷化镓的等效电路模型和数学模型与其完全相同，因此，这一节中不做赘述。
与硅太阳电池相比，砷化镓太阳电池具有以下特点：
（1）转换效率高。砷化镓的禁带宽度比硅的要宽，光谱响应特性与太阳光谱的匹配度也比硅的要好，所以，砷化镓太阳电池的光电转化效率高于硅太阳电池。硅太阳电池的理论效率仅为23%，而单结砷化镓太阳电池的理论效率为27%，多结砷化镓太阳电池的理论效率更是高达50%。
（2）可以制成超薄型电池。砷化镓是直接带隙半导体，而硅是间接带隙半导体，在可见光到红外的光谱内，砷化镓的吸收效率要远远高于硅。同样吸收95%的太阳光，硅需要150 μm以上的厚度，但是砷化镓只需要5～10 μm的厚度。因此，用砷化镓制成的太阳电池与硅太阳电池相比，在质量上有大幅减轻。
（3）耐高温。砷化镓的本征载流子浓度低，砷化镓太阳电池的最大功率温度系数比硅太阳电池小得多。200℃时，硅太阳电池已经不能工作，而砷化镓太阳电池的效率仍有10%，这使得砷化镓太阳电池在聚光领域有很好的应用。
（4）抗辐射性能好。砷化镓的少子寿命短，在离结几个扩散度外产生的损伤对光电流和暗电流均无影响。因此，其抗高能粒子辐射的性能优于间接禁带的硅太阳电池。
2）激光辐照单结砷化镓太阳电池输出特性
由于砷化镓电池具有耐高温、耐辐射特性，因此，砷化镓太阳电池可以接收较强的激光或者通过透镜进行聚光。近年来，随着光伏技术、高功率激光技术的发展以及无线能量传输需求的增大，激光无限能量传输技术逐渐得到重视。激光优良的单色性、方向性和高能量密度等特点决定了其能够以较小的接收器面积实现远距离、大功率的电力传输。
从图3-6中可以看出，5种不同的光伏电池中，砷化镓电池的效率最高，其峰值响应波长在850 nm左右。在峰值波长左侧，随着激光波长的增大，光伏电池的效率相应增大；而在峰值波长的右侧，随着波长的增大，光伏电池效率降低。当波长继续增大，光子能量小于带隙宽度时，光伏电池无法响应，对应波长为光伏电池的截止波长。此外，空间激光无线能量传输不需要考虑大气的影响，因此，在大气层应用时，考虑大气分子吸收、散射等影响，空间中的激光无线能量传输更加方便。图3-7给出了25℃时砷化镓光伏电池开路电压和短路电流随着激光功率变化的关系。从图中可以看出，短路电流与激光功率之间为线性关系，开路电压与激光功率之间为对数关系。
图3-6 光伏电池效率与激光波长的关系
图3-7 光伏电池开路电压和短路电流随激光功率变化的关系
图3-8给出了25℃砷化镓光伏电池效率和填充因子随激光功率的变化情况。从图中可以看出，光伏电池的效率和填充因子随激光功率变化呈单峰曲线，二者变化趋势相同。在峰值左侧，随着激光功率增大，转换效率变大；在峰值右侧，随激光功率增大，转换效率下降。当激光功率为0.27 W时，砷化镓太阳电池的效率达到最大，接近50%。
图3-8 光伏电池效率和填充因子与激光功率的关系
（a）效率和激光功率的关系；（b）填充因子和激光功率的关系
此外，通过实验发现，温度对短路电流和填充因子的影响很小，可以忽略。电池温度对光伏电池的性能影响主要体现在开路电压和转换效率上。因此，图3-9给出了光伏电池开路电压和转换效率随温度的变化关系。从图中可以看出，随着温度的上升，光伏电池的开路电压线性下降，其原因是随着温度的升高，光伏电池的禁带宽度变窄，耗尽层复合率增加，输出电压下降。开路电压温度系数的大小与激光辐照功率密切相关，激光功率越大，温度系数数值越小，即开路电压下降速度越慢。其原因在于激光功率增大，光通量增加，导致少数载流子和短路电流密度增加，从而使得暗饱和电流相比于正向电流对开路电压的影响变小，开路电压温度系数变小。光伏电池效率随温度升高而线性下降。激光功率增大，温度系数数值减小。其变化趋势与开路电压随温度变化的趋势相同。这也说明温度升高时，光伏电池效率的下降主要是开路电压下降造成的。
图3-9 光伏电池开路电压和转换效率与温度的关系
（a）开路电压与温度的关系；（b）效率与温度的关系
在3.1.2节中，通过对硅太阳电池的解析表达式的分析，建立了一个对各类太阳电池都适用的通用等效电路模型以及数学模型。然而，在实际使用中，外太空空间环境极为复杂，单结砷化镓太阳电池受复杂空间环境辐射积累效应的影响，其光电转化效率随着卫星在轨时间的推移而逐渐降低。因此，本节中对太阳电池阵的输出电流进行建模和分析。
太阳电池阵的输出计算公式为
式中，P为太阳电池阵的输出功率；V为太阳电池阵的输出电压；I为太阳电池阵的输出电流。
由于卫星的母线电压基本保持不变，太阳电池的输出功率可用太阳电池的输出电流来表征，太阳电池的输出电流受到衰减因子、日地距离因子、太阳入射角、SADA转动角度的误差累积以及太阳电池温度等因素影响，具体公式为
式中，IT为寿命初期太阳入射角为零，寿命初期日地因子为1时电池阵的输出电流（其只受温度的影响，而温度呈周期性变化）；α为太阳入射角；β为SADA偏置角；Fs为日地距离因子；F为太阳电池阵衰减因子。