電子輻照下GaAs/Ge太陽電池性能退化機制

盛延輝，齊佳紅，胡建民，張子銳，王月媛

(哈爾濱師范大學光電帶隙材料教育部重點實驗室物理與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150025)

電子輻照下GaAs/Ge太陽電池性能退化機制

盛延輝，齊佳紅，胡建民，張子銳，王月媛

(哈爾濱師范大學光電帶隙材料教育部重點實驗室物理與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150025)

通過空間帶電粒子輻照地面等效模擬實驗得到1 MeV和1.8 MeV電子輻照下GaAs/Ge太陽電池電學性能退化規律。根據太陽電池電學參數退化模型，對太陽電池短路電流退化曲線進行非線性分析，建立空間GaAs/Ge太陽電池少數載流子擴散長度損傷系數隨入射電子能量變化的基本規律。結果表明，少數載流子擴散長度損傷系數隨入射電子能量的增高而增大，這與短路電流退化幅度隨電子能量變化規律一致。

GaAs太陽電池；輻照損傷模型；少數載流子擴散長度

航天器在軌服役期間要經歷復雜惡劣的空間環境，空間帶電粒子的輻射作用使太陽電池的電學性能明顯下降，這對航天器在軌飛行的可靠性和服役壽命產生影響。所以，研究空間帶電粒子作用下太陽電池輻照損傷效應和機理，對于正確評價太陽電池的在軌行為和提高太陽電池的抗輻照能力具有重要意義。

多年來，研究GaAs太陽電池的輻照損傷機理主要是分析太陽電池電學性能退化規律和電池內部輻照損傷微觀缺陷。關于電學性能退化規律研究最具代表性的是美國噴氣動力實驗室的工作，B.E.Anspaugh[1]比較系統地研究了質子和電子能量對GaAs/Ge太陽電池電學性能的影響。電池電學性能退化規律研究的目的主要是為科學評價電池在軌行為提供實驗依據，而對電池的輻照損傷機理研究卻不夠深入。隨著太陽電池輻照效應分析手段的不斷發展，深能級瞬態譜(DLTS)成為太陽電池輻照缺陷分析的有效手段[2-3]。鑒于多結疊層太陽電池結構的復雜性，X.Zhang[4]等采用光學深能級瞬態譜(ODLTS)法測試了GaInP/GaAs/Ge太陽電池在100、130和170 keV質子輻照下產生的缺陷，ODLTS分析方法為多結太陽電池輻照缺陷檢測開辟了新途徑。然而，單純的輻照缺陷分析并不能從根本上揭示太陽電池輻照損傷的內在物理機制，空間帶電粒子輻照下太陽電池內部載流子輸運機制的改變是太陽電池電學參數發生退化的主要原因。M.A.Cappelletti[5]使用PC1D太陽電池模擬程序分析1 MeV電子輻照下InGaP/GaAs/Ge太陽電池中GaAs子電池的電學性能和電池內部載流子的輸運性質。

為了進一步探索不同能量帶電粒子輻照下太陽電池內部載流子輸運機制的變化規律，胡建民[6]在GaAs/Ge單結太陽電池輻照損傷效應方面做了大量工作，以載流子的輸運機制為基礎建立太陽電池電學參數退化模型，為揭示空間太陽電池的輻照損傷機理奠定一定的理論基礎。本文選取GaAs/Ge太陽電池為研究對象，建立不同能量電子輻照下GaAs/Ge電池的電學性能退化規律。在此基礎上，根據電學參數退化模型分析電池載流子輸運規律，旨在進一步闡明GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷機理。

1 實驗

實驗樣品為GaAs/Ge單結太陽電池，用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)制備，面積為2 cm×1.4 cm，其結構參數如圖1所示。高能電子輻照實驗使用ELV-8型電子加速器，電子束與樣品垂直，樣品室溫度為25℃。入射電子能量分別為1和1.8 MeV，所對應的輻照注量為1×1011～2×1015cm－2，輻照通量為1×1011cm－2s－1[7]。

圖1 空間GaAs/Ge太陽電池結構示意圖

使用美國Spectrolab spectrosun solar simulator model X25 MarkⅡ型標準太陽模擬器在25℃，AM0(能量密度為136.7 mW/cm2)太陽光譜輻照條件下，參照太陽電池國際測試標準[8]對輻照前后電池樣品的電學參數進行測試分析。

2 電子輻照下太陽電池短路電流退化結果分析

為研究不同能量的電子輻照下GaAs/Ge太陽電池輻照損傷機制，本文通過地面等效加速模擬實驗得到不同能量電子輻照下GaAs/Ge太陽電池歸一化短路電流的退化曲線。圖2是不同能量電子輻照GaAs/Ge太陽電池歸一化(a)短路電流Isc和(b)開路電壓Voc隨輻照電子注量變化曲線。由圖2(a)可知，不同能量的電子輻照后Isc隨電子注量增加而降低，在一定的電子輻照注量下，GaAs/Ge太陽電池短路電流的退化幅度隨電子能量的增高而增大。由于隨著入射電子能量的增大其在電池內部產生的深能級缺陷濃度逐漸增高，從而導致一定輻照注量下太陽電池短路電流的退化幅度逐漸增大。

圖2 GaAs/Ge太陽電池歸一化短路電流隨電子輻照注量變化的關系曲線

空間太陽電池歸一化開路電壓和短路電流的關系為：

式中：kB為玻耳茲曼常數；T為溫度；q為電子電量；I0為反向飽和電流。對于確定太陽電池，I0與入射粒子的能量和注量有關。由式(1)可知，短路電流的退化決定了圖2(a)中開路電壓的退化規律。

GaAs/Ge太陽電池短路電流退化數學表達式[6]如下：

式中：a≈104cm－1為吸收系數；A=qaF(1－R)exp(－axj)為常量；F為入射通量；R為反射率；L0≈3 μm為擴散長度；xj≈0.3 μm為結深；KL為擴散長度損傷系數；Ф為輻照注量；J0為輻照前短路電流密度；Jsc為輻照后短路電流密度。為了更加深入地研究電子輻照下太陽電池內部載流子的輸運性質，使用太陽電池短路電流退化模型式(2)對圖2中太陽電池短路電流的退化規律進行非線性擬合，得到不同能量電子輻照下太陽電池少數載流子擴散長度損傷系數數值，列于表1。

??????????????????????????????????????/MeV 1 1.8??????????K/cm 2.54?10 3.66?10

由表1所列數據可知，根據太陽電池短路電流退化模型式(2)得到的少數載流子擴散長度損傷系數隨入射電子能量的增高而增大，結果與圖2中一定輻照注量下太陽電池短路電流退化幅度隨電子能量變化的基本規律一致。上述結果一方面表明少數載流子擴散長度損傷系數是空間電子輻照下太陽電池短路電流發生退化的主要原因，另一方面也從載流子輸運的角度驗證了太陽電池短路電流退化模型的科學性。

3 結論

通過空間帶電粒子地面加速等效模擬實驗研究GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷機理，基于空間太陽電池電學參數退化模型分析不同能量電子輻照下GaAs/Ge太陽電池內部載流子的輸運機制。研究發現，不同能量電子輻照下GaAs/Ge太陽電池短路電流和開路電壓隨入射電子注量的增加而發生明顯退化，在同一能量和注量的電子輻照下短路電流的退化幅度明顯大于開路電壓。此外，在一定的輻照注量下GaAs/Ge太陽電池短路電流和開路電壓的退化幅度隨入射電子能量的增高而增大。進一步分析表明，GaAs/Ge太陽電池少數載流子擴散長度損傷系數隨入射電子能量的增高而增大。上述結果說明，不同能量的電子輻照下GaAs/Ge太陽電池電學參數發生退化的主要原因是太陽電池內部產生的輻照缺陷成為少數載流子的復合中心，使光生少子的擴散長度縮短造成的。研究空間帶電粒子輻照下太陽電池內部載流子的輸運性質是分析太陽電池輻照損傷物理機制的一個有效途徑。

[1]ANSPAUGH B E.Proton and electron damage coefficients for GaAs/Ge solar cell[C]//Proceedings of the 22ndIEEE Photovoltaic Spacialist Conference.Las Vegas:IEEE,1991:1593-1598.

[2]WANG R,GUO Z L,ZANG X H,et al.5-20 MeV proton irradiation effects on GaAs/Ge solar cell for space use[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2003,77:351-355.

[3]ZHAN F F,HU J M,ZHANG Y F,et al.Study of defects in proton irradiated GaAs/AlGaAs solar cells[J].Applied Surface Science,2009,255:8257-8262.

[4]ZHANG X,HU J M,WU Y Y,et al．Direct observation of defects in triple-junction solar cell by optical deep-level transient spectroscopy[J].Journal of Physics D：Applied Physics,2009,49:145401-145416.

[5]CAPPELLETTI M A,CEDOLA A P,PELTZER E L,et al.Computational analysis of the maximum power point for GaAs sub-cells in InGaP/GaAs/Ge triple-junction spacesolar cells[J].Semiconductor Science and Technology,2014,29:115025-115031.

[6]胡建民，王月媛.GaAs太陽電池空間帶電粒子輻照損傷效應[J].北京：中國原子能出版社，2013：69-105.

[7]HU J M,WU Y Y,YANG D Z,et al.A study on the effects of the proton flux on the irradiated degradation of GaAs/Ge solar cells[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,2008,266(16):3577-3582

[8]ASTM International.ASTM Standard E 2236-05a,Standard Test Methods for Measurement of Electrical Performance and Spectral Response of Nonconcentrator Multijunction Photovoltaic Cells and Modules[S].West Conshohocken:PA,2005.

Performance degradation mechanism of GaAs/Ge solar cells under electron irradiation

SHENG Yan-hui,QI Jia-hong,HU Jian-min,ZHANG Zi-rui,WANG Yue-yuan
(School of Physics and Electronic Engineering,Ministry of Education Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

The basic rules of GaAs/Ge solar cells degraded electrical parameters under 1 MeV and 1.8 MeV electrons irradiation were obtained through the accelerating ground equivalent simulation test for space charged particles.Nonlinearity of short-circuit current degradation curves of the solar cells was analyzed by its mathematical model.The change laws of minority carriers'diffusion length damage coefficient of space solar cells with the incident electrons energy were established.The results show that the minority carriers'diffusion length damage coefficient is one of the main reasons for short-circuit current degradation;short-circuit current degradation amplitude increases with the increase of the electron energy degradation.

GaAs solar cells;irradiation damage model;minority carriers'diffusion length

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1651-02

2016-01-29

國家自然科學基金項目(11075043)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541233)；黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2013010361)

盛延輝(1990—)，女，黑龍江省人，碩士，主要研究方向為空間太陽電池的輻照效應。

胡建民，hujianmin@foxmail.com；王月媛，yywang72@foxmail.com