IMM四結(jié)太陽電池輻照實(shí)驗(yàn)方法研究

歐 偉，郄毅鵬，鐵劍銳，高 鵬，王 鑫

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

IMM四結(jié)太陽電池輻照實(shí)驗(yàn)方法研究

歐 偉1,2，郄毅鵬1，鐵劍銳1,2，高 鵬1，王 鑫2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津恒電空間電源有限公司，天津300384)

空間用反向生長四結(jié)砷化鎵太陽電池(簡稱“IMM四結(jié)電池”)是一種新型的高效太陽電池，將應(yīng)用于空間飛行器，因此，抗帶電粒子輻照性能極為重要。用三種不同抗帶電粒子輻照實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明，電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，在(25±5)℃、AM0光照環(huán)境退火48 h，再在60℃環(huán)境退火24 h，電性能恢復(fù)效果最好，最佳功率衰降為18.39%，該方法與電池的使用環(huán)境相近，可以作為IMM四結(jié)電池的電子輻照實(shí)驗(yàn)方法。

IMM；太陽電池；電子輻照

IMM四結(jié)電池是一種新型的反向生長晶格失配高效砷化鎵太陽電池，與傳統(tǒng)的空間用正向生長晶格匹配三結(jié)砷化鎵太陽電池均采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延生長技術(shù)(MOCVD技術(shù))進(jìn)行PN結(jié)的生長相比，區(qū)別是二者的生長順序完全相反(圖1)：正向匹配三結(jié)砷化鎵太陽電池是在襯底上順序生長底電池、中間電池和頂電池，而IMM四結(jié)電池是在襯底上先生長頂電池，再生長中間電池，最后生長底電池，外延層生長完成后，通過鍵合、剝離等工藝，將外延層反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)襯底上。目前我國空間飛行器上使用的太陽電池大多數(shù)為傳統(tǒng)的空間用三結(jié)砷化鎵太陽電池，該類電池的批產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率(AM0)已從2008年首次空間使用時(shí)的26.5%提高到現(xiàn)在的30%，實(shí)驗(yàn)室效率超過31%，但傳統(tǒng)的正向匹配三結(jié)砷化鎵太陽電池受到材料匹配及材料質(zhì)量等因素的影響，光電轉(zhuǎn)換效率想要再提高已經(jīng)非常困難，而IMM電池與傳統(tǒng)電池相比，有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，我們研制的IMM四結(jié)電池AM0光電轉(zhuǎn)換效率超過34%。

圖1 兩種電池外延結(jié)構(gòu)生長示意圖

IMM四結(jié)電池的應(yīng)用方向與傳統(tǒng)的正向匹配三結(jié)砷化鎵太陽電池相同，主要應(yīng)用于空間飛行器電源系統(tǒng)，為空間飛行器提供能源。在空間飛行器上，太陽電池陣直接面對(duì)空間環(huán)境，直接受到空間粒子的撞擊，在經(jīng)受粒子的撞擊后，太陽電池的性能會(huì)有一定的衰降，通常通過電池在地面的抗帶電粒子輻照實(shí)驗(yàn)后電性能參數(shù)的衰降來考核太陽的抗輻照性能。目前，國內(nèi)尚未制定專門針對(duì)IMM四結(jié)電池電子輻照實(shí)驗(yàn)方法。

通過調(diào)研國內(nèi)空間用硅電池、砷化鎵電池通用規(guī)范，美國航空航天協(xié)會(huì)空間太陽電池標(biāo)準(zhǔn)和歐空局空間光伏組件和元件標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外針對(duì)硅電池和砷化鎵電池的輻照實(shí)驗(yàn)方法主要有三種，該三種方法輻照過程基本相同，但是輻照后的退火條件有所區(qū)別，具體如下：

(1)電池按照相關(guān)條件進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后電池在室溫及相對(duì)濕度不大于50%的環(huán)境中貯存7～30 d(國內(nèi)空間電池標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GJB7392-2011)；

(2)電池按照相關(guān)條件進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后電池在60℃環(huán)境下退火24 h(美國航空航天協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，AIAA S-111-2005)；

(3)電池按照相關(guān)條件進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后電池在(25± 5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃環(huán)境退火24 h(歐空局標(biāo)準(zhǔn)，ECSS-E-ST-20-08C Rev.1)。

本文將通過高軌壽命15年的空間飛行器環(huán)境，等效抗帶電粒子輻照條件為1 MeV電子能量、1×1015e/cm2累計(jì)通量的條件，參照以上三種方法來對(duì)IMM四結(jié)電池的抗帶電粒子輻照性能進(jìn)行研究，并確定適合的抗帶電粒子輻照方法。

1 實(shí)驗(yàn)

選取IMM四結(jié)電池6片,電池面積為3.88 cm2(如圖2)，進(jìn)行標(biāo)記和分組，分為A、B、C組，2片電池一組，分組完成后進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試完成后按如下條件進(jìn)行電子輻照：(a)粒子種類：電子；(b)粒子能量：1 MeV；(c)瞬時(shí)通量：1×1011e/cm2·s；(d)累計(jì)通量：1×1015e/cm2。

圖2 用于實(shí)驗(yàn)的IMM四結(jié)電池照片

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用電子加速器，實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 000 s，輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即測(cè)試電性能并記錄，然后分組按如下條件進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)：A組電池在室溫及相對(duì)濕度不大于50%的環(huán)境中貯存7 d退火，然后進(jìn)行電性能測(cè)試；B組電池在60℃退火24 h，然后進(jìn)行電性能測(cè)試；實(shí)驗(yàn)后電池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃環(huán)境退火24 h，然后進(jìn)行電性能測(cè)試。所有電性能測(cè)試條件為(25±2)℃，AM0光譜，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)為135.3 mW/cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 退火前全部電池最佳功率衰降情況

進(jìn)行完抗帶電粒子輻照后，隨即進(jìn)行電性能測(cè)試，計(jì)算輻照前后各參數(shù)的衰降，如表1所示。

表1 全體電池輻照后即時(shí)電性能衰降情況

2.2 A組測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過室溫及相對(duì)濕度不大于50%的環(huán)境中貯存7 d退火，輻照前后電性能數(shù)據(jù)如表2所示。電性能數(shù)據(jù)未發(fā)生明顯變化，電池的輻照性能沒有得到恢復(fù)。

表2 A組電性能衰降情況

2.3 B組測(cè)試結(jié)果

電池在60℃退火24 h后，輻照前后電性能數(shù)據(jù)如表3所示，電池的電性能有較小的恢復(fù)。

表3 B組電性能衰降情況

2.4 C組測(cè)試結(jié)果

電池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃環(huán)境下退火24 h，輻照前后電性能數(shù)據(jù)如表4所示。可以看出，電池的電性能恢復(fù)明顯。

表4 C組電性能衰降情況

2.5 討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，A組電池輻照后的電性能在退火后基本沒有變化，B組和C組電池輻照后的電性能在退火后有恢復(fù)，并且C組電池的電性能恢復(fù)最為明顯。

電子輻照對(duì)太陽電池的損傷主要分為位移損傷和電離損傷：位移效應(yīng)是指當(dāng)入射粒子與物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)將一部分能量傳遞給晶格原子，當(dāng)這部分能量超過原子位移闕能時(shí)，將導(dǎo)致晶格原子離開正常的晶格位置成為間隙原子，而在原來晶格位置留下一個(gè)空位，形成缺陷，位移損傷是不可恢復(fù)的；電離損傷是電子入射到半導(dǎo)體器件內(nèi)部時(shí)，它們通過電離過程使得一些束縛電子從材料價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，形成致密的電離跡徑，若入射粒子的能量比禁帶寬度大許多，被激發(fā)的電子獲得的能量比達(dá)到導(dǎo)帶所需要的能量多得多，初始電離電子和空穴往往具有相當(dāng)大的動(dòng)能，會(huì)通過如產(chǎn)生次級(jí)電子-空穴對(duì)(次級(jí)電離)或者以熱能方式交給晶格等，迅速損失多余能量，降回到導(dǎo)帶底或價(jià)帶項(xiàng)，變成熱化電子或空穴。這些電子-空穴對(duì)對(duì)半導(dǎo)體器件的性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可使半導(dǎo)體器件失靈，電離損傷在一定條件下是可以恢復(fù)的。

IMM四結(jié)電池在太空中使用時(shí)，將直接裸露在空間環(huán)境中，將受到空間粒子的撞擊，電池在工作時(shí)，將面對(duì)一個(gè)太陽常數(shù)的光照，工作溫度約為60～70℃，因此，上述三種實(shí)驗(yàn)方法的退火條件中，“實(shí)驗(yàn)后電池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃環(huán)境退火24 h”的退火條件與之較為接近，該種實(shí)驗(yàn)方法比較適用于IMM四結(jié)電池。

3 結(jié)論

本文采用目前國內(nèi)外常用的三種電子輻照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)IMM四結(jié)電池開展了電子輻照實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電池在經(jīng)過輻照實(shí)驗(yàn)后，再經(jīng)過在(25±5)℃、AM0光照環(huán)境退火48 h，再在60℃環(huán)境退火24 h，電池電性能恢復(fù)效果要明顯優(yōu)于其他兩種方法，且該種方法與電池的空間工作環(huán)境較為相近，可以采用這種方法作為IMM四結(jié)電池的輻照實(shí)驗(yàn)方法。

[1]REHDER E M,JUN B,CHIU P,et al.Environmental testing of inverted metamorphic solar cells for space[C]//40thIEEE Photovoltaic Specialist Conference.Denver,CO:IEEE,2014:3608-3611.

[2]BOISVERT J,LAW D,KING R,et al.Development of advanced space solar cells at Spectrolab[C]//35thIEEE Photovoltaic Specialist Conference.Honolulu,HI:IEEE,2010:123-127.

[3]ECSS.ECSS-E-ST-20-08C Rev.1 European Cooperation For Space Standardization(Space engineering-Photovoltaic assemblies and components[S].Noordwijk,The Netherlands:ECSS Secretariat Requirements&Standards Division,2012.

[4]AIAA.AIAA S-111-2005 Qualification and Quality Requirements for Space Solar Cells Standard[S].1801 Alexander Bell Drive,Reston,VA 20191:American Institute of Aeronautics and Astronautics,2005.

Study of electron irradiation method for IMM 4J solar cells

IMM 4J solar cell was a new high efficiency solar cell,they were being pursued for space applications,and the performance of electron irradiation was very important.Three different electron irradiation tests methods were used to compare.The results show that the cells irradiated with 1 S.C.(AM0)for 48 h,temperature annealed for 24 h at 60℃,then the recovery of the electric characteristic was the best,the degradation of Pmax was 18.39%.The test condition was close to the work condition of solar cells,it could be used as experimental conditions.

IMM;solar cell;electron irradiation

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2179-03

2015-08-16

歐偉(1981—)，男，貴州省人，工程師，主要研究方向?yàn)樘栯姵亍?/p>