三結砷化鎵太陽電池真空連續激光損傷效應

唐道遠，徐建明，李云鵬，竇鵬程，馬寧華，蔣 帥，吳 敏

（1.上海空間電源研究所空間電源技術國家重點實驗室，上海 200245；2.西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西西安 710024）

0 引言

三結砷化鎵（GaInP/GaAs/Ge）太陽電池以其轉化效率高、抗輻照能量強等特點，近年來作為主電源系統［1-2］被廣泛應用于各類航天器。當航天器運行至地球陰影區時，太陽電池將無法工作，為此設計三結砷化鎵太陽電池與激光電池相結合的全天時電池翼，即在光照區時三結砷化鎵太陽電池工作，而在陰影區時，利用激光照射激光電池進行遠距離能量傳輸［3-4］。當激光照射在三結砷化鎵太陽電池時，由于激光能量密度很高，會造成太陽電池的損傷，因此，有必要就三結砷化鎵太陽電池的激光損傷形式及機理進行分析。

本文采用1 315 nm波長的連續激光，模擬空間環境，在真空條件下輻照三結砷化鎵太陽電池，開展了激光損傷效應研究。

1 實驗

1.1 三結砷化鎵太陽電池結構參數

實驗樣品為三結砷化鎵太陽電池，制作工藝主要包括有源層MOCVD沉積、柵線及背電極蒸鍍、抗輻照蓋片粘合固化等。電池結構如圖1所示，自上而下分別為抗輻照玻璃蓋片、蓋片膠、柵線、GaInP頂電池、GaAs中電池、Ge底電池、背電極。頂、中、底三個子電池的帶隙分別為1.85、1.42、0.67 eV，所對應的響應光譜波段分別為350～700 nm、700～880 nm、880～1 750 nm［7］。

圖1 三結砷化鎵太陽電池結構圖Fig.1 Structure diagram of tri-junction GaAs solar cell

1.2 激光輻照實驗裝置及損傷表征

實驗系統包括連續式激光器、擴束裝置、光闌、真空腔室、紅外測溫及開壓檢測系統等，如圖2所示。激光器的波長為1 315 nm，光束經擴束及光闌后，透過真空腔室的玻璃窗口，照射在三結砷化鎵太陽電池樣品表面。

圖2 太陽電池真空激光輻照實驗系統Fig.2 Laser irradiation system of solar cells in the vacuum

調節光斑大小使其完全覆蓋電池樣品，如圖3所示，采用功率計對激光功率值進行標定，輻照時真空度達到10-3Pa以上，實時監測輻照過程中太陽電池開路電壓及電池片溫度變化。

圖3 真空腔內電池樣品及激光光斑Fig.3 Solar cell sample in the vacuum chamber and laser spot

三結砷化鎵太陽電池的激光損傷情況由實驗前后標準I-V電性能（AM0）、量子效率（QE）、SEM表面形貌三種測試進行表征。

2 實驗結果與分析

2.1 激光輻照中電池在線檢測

選擇2、5、8 W/cm23個激光功率密度參數，固定輻照時間為60 s，每個參數選取2個三結砷化鎵太陽電池樣品。

激光輻照過程中電池樣品溫度T的變化曲線（測溫儀量程自350 ℃起）如圖4所示。溫度曲線基本分為3個階段，即溫升段、熱平衡段、降溫段。在溫升段，隨功率密度增大，溫升梯度增大顯著；在熱平衡段，隨功率密度增大，熱平衡溫度逐漸增加，3個功率密度分別對應420 ℃、620 ℃、670 ℃；在降溫段，由于熱源的消失，電池樣品溫度驟降。

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圖4 輻照過程中電池樣品溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the solar cell samples during irradiation

激光輻照過程中開路電壓Voc的變化曲線如圖5所示，隨著電池溫度的升高，Voc迅速降低。

圖5 輻照過程中電池樣品開壓變化曲線Fig.5 Opening voltage change curves of the solar cell samples during irradiation

理想的PN結太陽電池開路電壓Voc可表示為

也可以寫成

當忽略小負數項時，該式可改寫為

式中：A與溫度無關；Eg0為00C時電池半導體材料的禁帶寬度；γ包含確定I0的其余參數中與溫度有關的因素，其數值通常在1～4范圍內。

對該式求導，并考慮

可以得到

可以看出，隨著溫度升高，Voc近似線性減小。更加精確的計算表明GaInP頂電池dVoct/dT≈-2.2 mV·K-1，GaAs中電池dVocm/dT≈-2.0 mV·K-1，Ge底電池dVocb/dT≈-1.8 mV·K-1。三結砷化鎵太陽電池Vtriple=Vt+Vm+Vb，因此，dVoc/dT≈-6.0 mV·K-1［8-9］。由于三結砷化鎵太陽電池樣品Voc在2 600 mV左右（AM0，25℃），可以得到電池溫度為450 ℃時，Voc趨近于0 V。

實驗結果也證實了Voc隨溫度升高而降低的此近似線性的負溫度系數。5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品，分別在輻照后10 s和7 s后，溫度到達450 ℃，Voc降為0 V；2 W/cm2功率密度對應的電池樣品，由于在輻照60 s內最高溫度未超過450 ℃，因此Voc的變化曲線與溫度T曲線保持反向一致，最低值約為0.2 V。輻照結束后，2 W/cm2和5 W/cm22個功率密度對應的電池樣品，Voc隨著溫度的降低而逐漸恢復；8 W/cm2功率密度對應的2個電池樣品中，有1個電池樣品Voc發生明顯衰降，無法恢復。

2.2 激光輻照后電池性能表征

真空激光輻照實驗后電池樣品的外觀圖片如圖6所示。2 W/cm2電池樣品前后表面沒有發生明顯變化；5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品，前后表面都有明顯燒蝕的痕跡，這是由于蓋片膠、背電極層在高溫下發生熱分解。雖然經模式變化光斑能量趨于均勻，但在電池表面激光能量還是呈現近高斯分布的特點，即中心區域能量密度更高，造成的熱分解效應也更加明顯。

圖6 輻照后電池樣品正背面外觀Fig.6 Front and back appearance of the solar cell samples after irradiation

圖7為激光輻照后電池在AM0光譜下測試的標準I-V曲線，2 W/cm2電池樣品I-V性能與標準片比較沒有明顯的變化；5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品I-V性能都發生了程度不同的衰降，8 W/cm2有一個電池樣品發生了明顯損壞。

圖7 輻照后電池樣品I-V 性能測試Fig.7 I-V parameters of solar cells after irradiation

各電池樣品激光輻照實驗后I-V性能的相對衰降率見表1。2 W/cm2電池樣品的各I-V參數基本沒有變化；5 W/cm2電池樣品的各I-V參數均有一定程度的下降，其中Vm、Im衰降率均在6%左右，Eff衰降率約13%；8 W/cm2電池樣品的各參數衰降進一步擴大，Vm、Im衰降率均在18%左右，Eff衰降率約35%，對于發生損壞的電池樣品，Voc、FF衰降率大于35%，Eff衰降率大于70%。

表1 輻照后電池樣品IV參數相對衰降率Tab.1 Relative I-V degradation rates of the solar cell samples after irradiation %

激光輻照實驗后電池串聯電阻（Rs）與并聯電阻（Rsh）的測試數值如圖8所示。2 W/cm2和5 W/cm2電池樣品Rs、Rsh變化規律不明顯；8 W/cm2電池樣品的Rs顯著增大，Rsh顯著減少。特別是損壞的電池樣品，Rsh值只有11 Ω，與正常的電池樣品比較降低了2個數量級。

圖8 輻照后電池樣品串并聯電阻值Fig.8 Resistance values of the solar cell samples in series and parallel after irradiation

圖9和表2為輻照后電池樣品QE測試結果。可以看出2 W/cm2電池樣品的各子電池量子效率與標準片比較沒有明顯變化，5 W/cm2電池樣品的頂電池與底電池量子效率發生部分衰降，8 W/cm2電池樣品的頂電池與底電池發生嚴重衰降。

圖9 輻照后電池樣品量子效率Fig.9 QEs of the solar cell samples after irradiation

表2 輻照后電池樣品各子電池光譜響應電流Tab.2 Spectral response current of sub-cells of the solar cell samples after irradiation mA·cm-2

表3和圖10為輻照（8 W/cm2，60 s）前后電池背電極SEM圖及EDS元素分析。背電極采用與P型Ge襯底具有良好歐姆接觸的Pd/Ag/Au復合金屬層，可以看出輻照前電極層致密連續，表面EDS譜圖Au元素特征峰顯著；輻照后背電極層發生了明顯的形貌變化，金屬層不再致密連續，呈現相互獨立的點狀分布，EDS元素分析表明Ge襯底已大面積裸露，點狀區域呈現相關金屬元素與Ge的合金態，Pd/Ag/Au結構已經完全破壞。

表3 輻照前后背電極表面元素質量分數Tab.3 Element mass fractions of the back electrode surface before and after irradiation %

圖11所示為輻照（8 W/cm2，60 s）前后電池截面SEM圖，可以看出與輻照前比較，蓋片膠基本已氣化消失，玻璃蓋片與電池裸片層已經完全分離。

圖10 背電極表面SEM及EDS輻照前后對比Fig.10 SEM images and EDS spectra of the back electrode surface before and after irradiation

圖11 電池樣品截面SEM輻照前后對比Fig.11 SEM images of the solar cell sample section before and after irradiation

3 激光輻照損傷機理分析

由于激光波長為1 315 nm，光子能量未達到頂電池GaInP和中電池GaAs的禁帶寬度，對兩者無光電效應，絕大部分的光子將穿過頂電池和中電池達到底電池。在Ge底電池發生光電效應，電子吸收光子從價帶躍遷至導帶，形成光生載流子，在PN結內建電場的作用下，底電池兩端光生載流子大量聚集。當產生的漂移電場與內建電場相互平衡時，產生的新光生載流子將完全復合，并與聲子相互作用，將激光能量完全轉換為熱能被底電池吸收。

典型的GaInP/GaAs/Ge三結電池由近20層材料結構構成，每層材料質量都會影響器件性能。高溫將加劇內部摻雜原子的熱擴散作用，破壞有序的摻雜結構。由于頂電池采用具有場助收集效應的n+-n-/p--p+結構［10-11］，底電池采用減薄型GaAs-Ge異質界面擴散結構［12］，使得頂電池與底電池對于熱擴散破壞效應更加敏感，高溫將破壞內建電場對光生載流子的有效輸運，增大界面復合，嚴重影響頂電池與底電池載流子收集，使電池串聯電阻Rs增大，并電阻Rsh減小。此外高溫引起背電極金屬層的變形，Pd/Ag/Au結構被破壞，Ge襯底大面積裸露，將影響電池層與電極層的歐姆接觸，進一步增大電池的串聯電阻Rs。

圖12為太陽電池等效電路圖，其輸出I-V特性方程為

式中：Iph為光生電流；ID為暗電流；Ish為漏電流。

圖12 太陽電池等效電路圖Fig.12 Equivalent circuit diagram of the solar cell

根據特性方程，串聯電阻Rs的增大與并聯電阻Rsh的減小都將降低電池的填充因子FF，而且高的Rs值和低的Rsh值還會分別減小Isc和Voc，如圖13所示。

圖13 太陽電池I-V 特性曲線Fig.13 I-V characteristic curves of the solar cells

5 W/cm2功率密度電池樣品會迅速升至500 ℃以上，引起蓋片膠（硅氧烷類材料）中硅氧鍵的熱裂解，降低其透光性，主要影響電池的Isc。8 W/cm2功率密度將引起蓋片膠發生劇烈的裂解反應，產生的小分子硅氧化合物使蓋片膠發生氣化，造成中心區域的體積膨脹。膨脹引起機械應力與溫度驟變的熱應力會在電池樣品內部產生微裂紋，使得電池材料內部產生大量的復合中心與漏電通道，嚴重降低電池的并聯電阻Rsh，使得電池Voc大幅度衰降。

4 結束語

真空環境下采用波長1 315 nm連續激光輻照三結砷化鎵（GaInP/GaAs/Ge）太陽電池，實驗表明：5 W/cm2功率密度輻照60 s會造成電池性能的損傷，8 W/cm2功率密度輻照60 s會造成電池性能的損壞，效率Eff衰降超過70%。5～8 W/cm2功率密度范圍，三結砷化鎵電池損傷程度隨功率密度增加而增大，但電池樣品是否發生損壞與樣品本身特性關系密切，即損壞表現出隨機性。

損傷機理是熱損傷與應力損傷的綜合作用：高溫將破壞三結砷化鎵太陽電池內部摻雜結構，引起蓋片膠與背電極材料的熱分解，主要影響頂電池與底電池對載流子的收集，增大串聯電阻Rs，減小并聯電阻Rsh。蓋片膠熱解膨脹引起的機械應力與熱應力的綜合作用將在電池材料內部產生微裂紋，進一步減小并聯電阻Rsh，引起開路電壓Voc大幅度降低，最終造成電池的損壞。該結果對三結砷化鎵太陽電池在激光無線能量傳輸中的應用研究具有一定的參考價值。