銅銦鎵硒薄膜太陽電池輻照效應研究

張 超，鄧朝文，喬在祥

(中國電子科技集團公司第十八研究所重點實驗室，天津300384)

銅銦鎵硒薄膜太陽電池輻照效應研究

張 超，鄧朝文，喬在祥

(中國電子科技集團公司第十八研究所重點實驗室，天津300384)

高性能、高可靠性、質量輕、抗輻照能力強、低成本是未來空間用太陽電池技術的主要發展方向。銅銦鎵硒薄膜太陽電池最高轉換效率已突破21%，并具有輕質、抗輻照能力強等特點，是最具有空間應用前景的新一代太陽電池。總結了國內外銅銦鎵硒薄膜太陽電池輻照效應的研究狀況，闡述了銅銦鎵硒薄膜太陽電池輻照效應研究差異的主要原因，指出了未來銅銦鎵硒薄膜太陽電池輻照效應的研究方向。

銅銦鎵硒薄膜；輻照損傷；空間太陽電池

航天技術是人類科學技術的最偉大成就之一，特別是衛星，對人類發展的各個領域如科學實驗與探索、民用通信廣播、遙感導航、氣象預測以及軍事領域，起著巨大的促進作用。科學進步和社會發展需要功能更專一、功效更強大、價格更便宜、適應各種空間環境的應用衛星，這對衛星的設計提出了更高的要求，質量、體積、成本下降的小型化、微型化設計是其中一個重要的發展方向。

作為衛星組成的重要分系統之一，電源系統為衛星提供持久的電力支持，其可靠性是衛星實現功能的重要保障，在小型衛星中，其質量占衛星總質量的38%～42%，研制經費占總經費的7%～13%[1]，優化電源系統性能是未來小型衛星發展的關鍵。目前衛星電源系統廣泛使用的是太陽電池陣列和蓄電池聯合供電的方式，其中太陽電池以砷化鎵電池為主，價格昂貴。尋求效率高、價格低、性能穩定、抗輻照能力強的新型太陽電池是人們研究的焦點。

銅銦鎵硒[Cu(In,Ga)Se2，簡稱CIGS]薄膜太陽電池具有較高的光電轉換效率，已達到21.7%[2]，雖然未達到目前空間應用的砷化鎵太陽電池的轉換效率，但是其成本低廉、質量輕、穩定性好、抗輻照能力強，可制備在柔性襯底上實現更多樣的太陽電池翼結構設計和折疊展開方式設計，被認為是最具有空間應用前景的新一代太陽電池。因此，開展CIGS薄膜太陽電池空間輻照效應實驗具有重要意義。

1 輻照效應研究中的難點和主要方法

1.1 輻照效應研究的難點

空間輻射環境非常復雜，主要分為三個部分：太陽宇宙射線、銀河宇宙射線和地球輻射帶[3]。太陽宇宙射線是指太陽活動產生的高能粒子流，主要成分是質子、電子還有少量的其他核成分和中子，其通量大小以11年為一個周期，粒子能量在幾兆電子伏至幾百兆電子伏[4]。銀河宇宙射線是指來自于太陽系以外的銀河系的高能粒子流，主要成分為87%的質子和12.5%的α粒子，其特點是帶電粒子能量極高但通量很低，并且受到太陽活動周期的影響，當太陽活動處于高峰期時，銀河宇宙射線通量會相對減小，處于平靜期時，則會相對穩定[5]。地球輻照帶又稱范艾倫輻射帶，是由地球磁場和太陽風相互作用的結果，分為內輻射帶和外輻射帶。內輻射帶是指地球上空600～10 000 km帶狀區域，主要成分為質子，來源于銀河宇宙射線粒子，外輻射帶是指地球上空10 000～65 000 km帶狀區域，占優勢的粒子為電子。地球輻射帶俘獲的主要是1～100MeV的質子和100 keV～20 MeV的電子以及少量的重離子[6]。

在地面模擬實驗中，很難實現帶電粒子呈連續分布、輻射通量隨軌道變化的空間輻射環境，并且很難分析不同種類、不同能量粒子共同輻照的作用，同時也很難模擬由于其他環境因素，如溫度、封裝玻璃慢化效應等共同引起的輻照效應結果。因此，需要建立切實可行的等效分析方法。

1.2 輻照效應實驗分析方法

太陽電池輻照效應實驗的目的，一方面是分析其輻射損傷的微觀機理，優化太陽電池的制備工藝，改進電池防護工藝，從而達到提高太陽電池抗輻照能力的目的，另一方面預測空間太陽電池的在軌行為，為空間應用提供科學的理論指導和實驗依據。

研究太陽電池輻照效應的主要方法是，對比輻照前后太陽電池短路電流、開路電壓和最大輸出功率的變化，通過導納譜、暗態I-V曲線測試、C-V測試和深能級瞬態譜分析太陽電池各層材料在輻照后產生的深能級缺陷。

太陽電池在軌性能預測方法常用的有兩種，一是等效注量法，另一種是位移損傷劑量法。

等效注量法[7]是將不同能量、不同類型的帶電粒子引起的輻照損傷效應通過相對損傷系數聯系起來，從而實現單能粒子輻照與空間帶電粒子能譜等效的方法。具體方法是：通過實驗得到各類型不同能量帶電粒子輻照下，太陽電池電學性能退化到某一水平時的臨界注量，再根據臨界注量計算不同能量帶電粒子相對于10 MeV質子和1 MeV電子的相對損傷系數，然后結合軌道空間帶電粒子能譜和相對損傷系數得到空間帶電粒子等效為1 MeV電子的等效注量，最后根據等效注量和1 MeV電子輻照下電池的電學退化曲線給出該電池在軌行為預測結果。

位移損傷劑量法[8]是基于非電離能損創建的太陽電池輻射損傷方法，具體方法是通過核物理的理論分析方法，對不同能量粒子在太陽電池材料中的非電離能損失進行計算，獲得各能量粒子的非電離能損傷等效系數，然后將粒子輻照注量轉化為位移損傷劑量，獲得太陽電池電學性能隨位移損傷劑量退化的特征曲線，最后通過空間帶電粒子能譜和非電離能損計算太陽電池在軌行為的等效位移損傷劑量，從而實現太陽電池輻照效應的預測。

2 銅銦鎵硒薄膜太陽電池空間輻照效應的研究概況

2.1 國外研究概況

早在1984年，Gay等人在IEEE光伏專家會議上就報道了CIS/CdS結構太陽電池，在能量為1 MeV、注量為1016cm-2的電子輻射下表現出良好的抗輻射特性。轉年，Mickelsen等人報道了CIS/(Zn,Cd)S太陽電池分別在1 MeV電子輻射和1 MeV的質子輻射下的電學性能損傷情況，指出CIS太陽電池在注量為2×1016cm-2的電子輻射下無衰退，在1013cm-2注量的質子輻射下，電池轉換效率衰降到原來的68%。1988年，Burgess等人研究了CIS太陽電池在1、2 MeV電子輻照和0.2、0.4和2 MeV質子輻照下的穩定性，并通過為期3年的空間實驗證明了未封裝的CIS薄膜太陽電池具有較強的抗輻照能力。此外，日本的Yamaguchi、Matsuda[9]也對CIS太陽電池分別進行了電子和質子輻照實驗。

2000年，德國斯圖加特大學的A.Jasenek等人[10-11]研究了面積為0.5 cm2、效率為15%的CIGS薄膜太陽電池在1 MeV電子輻照下的電學損傷，轉年，又對CIGS薄膜太陽電池分別進行了0.5、1、3 MeV電子輻照和4 MeV質子輻照實驗，電子輻照注量超過1018cm-2、質子輻照注量達到了1014cm-2[12]。在實驗中發現，輻照后CIGS薄膜太陽電池效率下降的主要原因是電池的開路電壓衰降。通過導納譜直接分析了輻射引起的缺陷機制，并使用低溫C-V測試得到了高能粒子輻照會降低CIGS吸收層摻雜濃度的結論。該實驗還指出經過小于100℃的退火處理，可以部分恢復CIGS薄膜的電子輻射損傷。2003年，同組的K.Weinert等人報道了3 MeV電子輻射下的CIGS薄膜太陽電池的電學性能損傷情況[13]。實驗發現，當注量提高到2×1017cm-2時，電池的短路電流密度開始下降，到2×1018cm-2時，下降了90%。短路電流下降的原因是由于生成深能級缺陷的活化能變化了500 meV，經過360 K的退火處理，電池的短路電流密度可以得到恢復，但是開路電壓損失無法完全恢復。

2002年2月，日本發射的MDS-1衛星上搭載了CIGS薄膜太陽電池，經過1年的空間輻照實驗，其短路電流沒有任何衰降，開路電壓僅衰降1%，性能的穩定性要優于同期搭載的Si和GaAs太陽電池。轉年，日本國家空間發展局的Kawakita[14]報道了30 cm×30 cm的CIGS電池組件輻照效應地面模擬實驗，其結果與空間搭載實驗一致。另外，還發現通過熱處理可以恢復CIGS薄膜太陽電池的質子輻射損傷。不僅如此，他們將實驗數據分析結果用來預測CIGS薄膜太陽電池在近地軌道和地球同步軌道的輻照效應，形成了從空間實驗數據采集到地面模擬實驗分析，再到空間預期的完整的空間輻照效應評估體系。

2009年，日本宇宙航空研究開發局[15]在發射的低地球軌道衛星SDS-1上搭載了薄膜太陽電池測試板，對比了In-GaP/GaAs(TF2J)和CIGS太陽電池的短路電流損傷，實驗結果表明CIGS薄膜太陽電池抗輻照能力明顯優于TF2J太陽電池。

2011年，日本Y.Hirose等人[16]在研究CIGS太陽電池電子輻照效應時，重點研究其多種窗口層如ITO、ZnO∶Al、ZnO∶Ga和CdS緩沖層的輻照效應，電子能量為2 MeV，注量范圍是1×1013～1.5×1018cm-2。實驗表明：電子輻照后，窗口層和緩沖層的透過率沒有發生改變，但是ZnO∶Al和ZnO∶Ga的電阻率顯著提高。通過輻照前后J-V特性曲線分析，ZnO∶Al和ZnO∶Ga窗口層主要引起CIGS薄膜太陽電池串聯電阻的升高和短路電流的降低，pn異質結界面主要引起開路電壓的降低和并聯電阻的提高。

2013年，日本kawakita等人[17]報道了在250 eV電子輻射下，CIGS薄膜太陽電池中Cu點缺陷的電學性能影響。報道指出，CIGS太陽電池在250 keV的電子輻射下和1 MeV電子輻照下的結果顯著不同。在250 keV的電子輻射下，CIGS太陽電池輸出性能無衰降，但是載流子濃度提高，其現象類似于Na對CIGS太陽電池的影響。

2.2 國內研究概況

國內由于CIGS薄膜太陽電池制備技術發展較晚，工藝成熟度不高，因此，開展CIGS薄膜太陽電池輻照效應的研究也遠遠落后于國外各大研究機構。

2012年，南開大學陳秀娟[18]研究了CIGS薄膜太陽電池在γ射線輻照下的特性，粒子能量為1.17和1.33 MeV，注量為2×1010、1.2×1011、5×1011、9.8×1011、5.2×1012、1.36×1013、4.672×1013和1.1×1014cm-2。在實驗中，系統分析了γ射線對CIGS太陽電池中各層薄膜的結構和電學特性影響，并對比了聚酰亞胺襯底、不銹鋼襯底和玻璃襯底CIGS薄膜太陽電池在γ射線輻照的性能。同年，南開大學王昆燁[19]研究了不同襯底CIGS薄膜太陽電池在能量為7 MeV、注量為1014～1018cm-2的電子輻照下的電學性能的損傷。

哈爾濱工業大學的鄧朝文[20]在2012年報道了低能質子輻照下的CIGS薄膜太陽電池性能的研究，通過50、100和150 keV質子輻照對比實驗和SRIM2008軟件模擬，分析了低能質子輻照對CIGS太陽電池的損傷效應，揭示了低能質子輻照下CIGS太陽電池性能變化規律和損傷機理。轉年，哈爾濱工業大學的常熠[21]研究了質子和電子綜合輻照下CIGS太陽電池的行為。在研究中，質子能量為50 keV，電子能量為50 keV和1 MeV，質子和電子注量分別為1011、1012、1013p/cm2和1014、1015、1016e/cm2。通過改變輻照方式，得到了不同類型的輻照方式引起電池性能衰降的比例不同的結論，其中共同輻照＞先電子后質子輻照＞單獨質子輻照＞先質子后電子輻照＞＞單獨電子輻照。

2.3 存在的差距與問題

國內對CIGS薄膜太陽電池輻照效應的研究只是定性的和機理上的研究，無法作為定量數據來預測CIGS薄膜太陽電池在軌行為。這主要是因為：

(1)國內CIGS薄膜太陽電池制備水平較低，電池性能普遍偏低，無法與國外測試結果相比較。

(2)國內輻照效應實驗條件簡陋、分析軟件單一、測試手段不足，限制了CIGS薄膜太陽電池輻照效應研究的發展。

(3)國內CIGS薄膜太陽電池的制備單位和輻照效應實驗單位的聯系不足，難以展開系統的分析實驗。

目前，CIGS薄膜太陽電池輻照效應理論尚不完善，需要進行大量的地面模擬研究和空間實驗研究，主要存在的問題有：

(1)CIGS薄膜太陽電池的效率突破較快，從1984年的不足10%提高至如今的超過21%。不同效率的電池性能和穩定性存在很大差異，需要實驗再次驗證。

(2)CIGS薄膜是復雜的四元化合物，相同性能的CIGS薄膜太陽電池可能在微觀上存在差異，如Cu含量、Ga含量以及元素的縱向分布，這會導致其輻照效應實驗結果存在偏差。

(3)CIGS薄膜太陽電池結構不同，例如可選用的緩沖層為CdS、ZnS和In2S3，可選用的窗口層為ZnO∶Al、ZnO∶B和ITO，pn異質結的差異對輻照效應結果影響很大。

(4)CIGS薄膜太陽電池應用時多以內級聯電池組件的形式，而報道的輻照效應實驗多以單體電池為主，內級聯電池組件的輻照效應有待研究。

3 結論與展望

CIGS薄膜太陽電池性能優異，有卓越的抗輻照能力，是最有空間應用前景的新型太陽電池，但其空間輻照效應缺乏系統的研究。針對上述問題，今后CIGS薄膜太陽電池輻照效應的研究方向應為：

(1)在輻照效應實驗前，應先對CIGS薄膜太陽電池進行有目的的篩選，再進行地面模擬輻照和空間輻照實驗研究，積累大量的實驗數據，分析成分差異對空間輻照效應的影響。

(2)對于不同結構的CIGS薄膜太陽電池進行對比實驗和理論分析，確定最適合空間應用的結構。

(3)實驗研究應基于CIGS薄膜太陽電池組件模塊進行研究，并結合其他空間用太陽電池的研究成果，分析其封裝技術。

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[21]常熠.質子和電子綜合輻照下銅銦鎵硒太陽電池行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

Research status of irradiation effect of Cu(In,Ga)Se2thin film solar cell

The main development direction of space solar cell in the future is high performance,high reliability,light weight,better radiation resistance and low cost.Cu(In,Ga)Se2thin film solar cell has the characteristics of light weight and better radiation resistance,and its highest efficiency has broken through 21%.It is the most promising new generation solar cell for space application.The research status of the irradiation effect of CIGS thin film solar cell was summarized.The main reason of the difference between the irradiation effects of CIGS thin film solar cell was expounded, and the research direction of the irradiation effects of CIGS thin film solar cell in the future was put forward.

Cu(In,Ga)Se2thin film;irradiation damage;space solar cell

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1324-03

2016-01-08

張超(1985—)，男，天津市人，博士，工程師，主要研究方向為薄膜太陽電池技術。