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(xué)光電帶隙材料教育部重點實驗室物理與電子工程學(xué)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(xué)光電帶隙材料教育部重點實驗室物理與電子工程學(xué)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(xué)性能退化規(guī)律。根據(jù)太陽電池電學(xué)參數(shù)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(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)隨入射電子能量變化的基本規(guī)律。結(jié)果表明，少數(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)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(guī)律一致。

GaAs太陽電池；輻照損傷模型；少數(shù)載流子擴散長度

航天器在軌服役期間要經(jīng)歷復(fù)雜惡劣的空間環(huán)境，空間帶電粒子的輻射作用使太陽電池的電學(xué)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(chǎn)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(yīng)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(xué)性能退化規(guī)律和電池內(nèi)部輻照損傷微觀缺陷。關(guān)于電學(xué)性能退化規(guī)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(tǒng)地研究了質(zhì)子和電子能量對GaAs/Ge太陽電池電學(xué)性能的影響。電池電學(xué)性能退化規(guī)律研究的目的主要是為科學(xué)評價電池在軌行為提供實驗依據(jù)，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(yīng)分析手段的不斷發(fā)展，深能級瞬態(tài)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(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，X.Zhang[4]等采用光學(xué)深能級瞬態(tài)譜(ODLTS)法測試了GaInP/GaAs/Ge太陽電池在100、130和170 keV質(zhì)子輻照下產(chǎn)生的缺陷，ODLTS分析方法為多結(jié)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(nèi)在物理機制，空間帶電粒子輻照下太陽電池內(nèi)部載流子輸運機制的改變是太陽電池電學(xué)參數(shù)發(fā)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(xué)性能和電池內(nèi)部載流子的輸運性質(zhì)。

為了進一步探索不同能量帶電粒子輻照下太陽電池內(nèi)部載流子輸運機制的變化規(guī)律，胡建民[6]在GaAs/Ge單結(jié)太陽電池輻照損傷效應(yīng)方面做了大量工作，以載流子的輸運機制為基礎(chǔ)建立太陽電池電學(xué)參數(shù)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(chǔ)。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(xué)性能退化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電學(xué)參數(shù)退化模型分析電池載流子輸運規(guī)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(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)參數(shù)進行測試分析。

2 電子輻照下太陽電池短路電流退化結(jié)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(nèi)部產(chǎn)生的深能級缺陷濃度逐漸增高，從而導(dǎo)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(guān)系曲線

空間太陽電池歸一化開路電壓和短路電流的關(guān)系為：

式中：kB為玻耳茲曼常數(shù)；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(guān)。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(guī)律。

GaAs/Ge太陽電池短路電流退化數(shù)學(xué)表達式[6]如下：

式中：a≈104cm－1為吸收系數(shù)；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(jié)深；KL為擴散長度損傷系數(shù)；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(nèi)部載流子的輸運性質(zhì)，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(guī)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(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)數(shù)值，列于表1。

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

由表1所列數(shù)據(jù)可知，根據(jù)太陽電池短路電流退化模型式(2)得到的少數(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)隨入射電子能量的增高而增大，結(jié)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(guī)律一致。上述結(jié)果一方面表明少數(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)是空間電子輻照下太陽電池短路電流發(fā)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(xué)性。

3 結(jié)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(xué)參數(shù)退化模型分析不同能量電子輻照下GaAs/Ge太陽電池內(nèi)部載流子的輸運機制。研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)隨入射電子能量的增高而增大。上述結(jié)果說明，不同能量的電子輻照下GaAs/Ge太陽電池電學(xué)參數(shù)發(fā)生退化的主要原因是太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生的輻照缺陷成為少數(shù)載流子的復(fù)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(nèi)部載流子的輸運性質(zhì)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(yīng)[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(xué)基金項目(11075043)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541233)；黑龍江省高等教育教學(xué)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(yīng)。

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