溫度及功率變化研究電子輻射GaAs電池的熱淬滅效應(yīng)

劉晏妤，吳 銳，王君玲，劉 俊，鄢 剛，王 榮,*

(1.北京師范大學(xué) 射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100875；2.北京市輻射中心，北京 100875)

因GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和較強(qiáng)的抗輻射性能，在航天器技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。但其在空間中應(yīng)用會(huì)受到大量帶電粒子的輻射，特別是高能電子的輻射，導(dǎo)致其性能發(fā)生衰降[3-4]，影響航天器電源系統(tǒng)的工作壽命，因此必須對(duì)其輻射效應(yīng)及損傷機(jī)理進(jìn)行研究。本課題組利用變溫光致發(fā)光(PL)分析了電子輻射GaInP頂電池的熱淬滅效應(yīng)，得到輻射引入GaInP頂電池中激活能Ev+0.55 eV的空穴陷阱是非輻射復(fù)合中心，即此中心是引起其性能衰降的主要原因[5]。而GaAs中間電池作為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池的子電池，電子輻射引起其性能衰降更顯著[6]，有必要對(duì)GaAs中間電池輻射損傷機(jī)理做進(jìn)一步探索分析。已有研究表明，PL光譜強(qiáng)度會(huì)因激發(fā)功率不同而發(fā)生顯著變化[7]。因此，本工作利用溫度及激發(fā)功率變化光致發(fā)光分析電子輻射GaAs中間電池的熱淬滅效應(yīng)，探究發(fā)生熱淬滅效應(yīng)的缺陷與影響電池性能衰降的聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)輻射樣品為國(guó)產(chǎn)空間GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。用1.0 MeV電子對(duì)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)，電子注量為5×1014cm-2。光致發(fā)光分析中采用波長(zhǎng)為730 nm、最大功率為10 W·cm-2的激光器作為激發(fā)光源。激光經(jīng)斬波器調(diào)制形成與斬波器同頻率的光入射到GaAs電池樣品上，GaAs電池表面產(chǎn)生同頻率的熒光信號(hào)，熒光信號(hào)被透鏡匯聚及單色儀(卓立漢光公司的Omni-λ500，刻度線為600 grooves/mm)分光，由Si光電探測(cè)器(DSi200)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再輸入到鎖相放大器(美國(guó)SRS公司的數(shù)字雙相型SR830)進(jìn)行放大，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用壓縮機(jī)(美國(guó)ARS公司的ARS-4HW)和溫控儀(美國(guó)Lakeshore公司的335A1F1)實(shí)現(xiàn)樣品的變溫(10～300 K)測(cè)量。其中，實(shí)驗(yàn)激發(fā)功率范圍為2.60～9.21 W·cm-2。

圖1 GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與分析

激發(fā)功率恒定(7.03 W·cm-2)，變溫(10～300 K)測(cè)量光致發(fā)光譜，其測(cè)試結(jié)果示于圖2a。然后溫度恒定(150 K)，激發(fā)功率變化(4.43～8.73 W·cm-2)測(cè)量光致發(fā)光譜，其測(cè)試結(jié)果示于圖2b。由圖2a可知，溫度為10 K時(shí)PL峰強(qiáng)度最高，且對(duì)應(yīng)的光子能量為1.438 eV。當(dāng)溫度逐漸升高至70、130、180、250、300 K時(shí)，峰位對(duì)應(yīng)的光子能量分別為1.433、1.423、1.416、1.408、1.391 eV，光譜發(fā)生了紅移，符合Vashni公式的描述[8]；且PL峰強(qiáng)度隨溫度升高而降低。由圖2b可知，激發(fā)功率為4.43 W·cm-2時(shí)PL峰強(qiáng)度最低，且對(duì)應(yīng)的光子能量為1.432 eV。當(dāng)激發(fā)功率逐漸增大至5.97、7.03、7.75、8.29、8.73 W·cm-2時(shí)，峰位對(duì)應(yīng)的光子能量為1.428、1.423、1.418、1.413、1.410 eV，光譜也發(fā)生了紅移；且PL峰強(qiáng)度隨激發(fā)功率的增大而升高。

圖2 變溫PL光譜和變功率PL光譜

為進(jìn)一步確定電子輻射GaAs中間電池PL強(qiáng)度與溫度的聯(lián)系，分別選取激發(fā)功率為2.60、7.03、8.73 W·cm-2，測(cè)量變溫(10～300 K，間隔25～35 K)光致發(fā)光譜，其結(jié)果示于圖3，即PL強(qiáng)度與溫度倒數(shù)的Arrhenius圖。

圖3 PL強(qiáng)度與溫度倒數(shù)的Arrhenius圖

由圖3可知，PL強(qiáng)度隨溫度升高而降低，即熱淬滅效應(yīng)。PL強(qiáng)度隨溫度變化可分為兩個(gè)區(qū)域：溫度低于40 K和40～300 K。溫度低于40 K時(shí)，PL強(qiáng)度隨溫度的升高緩慢減小。溫度從40 K升至300 K，PL強(qiáng)度迅速下降，這是因?yàn)镚aAs中間電池的非輻射復(fù)合中心被熱激活，非輻射復(fù)合中心迅速捕獲光生載流子，加劇了PL強(qiáng)度的熱淬滅效應(yīng)[9]。當(dāng)溫度高于40 K時(shí)非輻射復(fù)合中心被熱激活，為了確定其熱激活能，采用雙中心(假定存在A和B兩種缺陷，實(shí)際還存在其他缺陷)Arrhenius方程[10]擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則：

(1)

其中：IPL(T)/IPL(0)為歸一化PL強(qiáng)度；E1和E2分別為缺陷A和B的熱激活能；C1和C2分別為缺陷A和B輻射復(fù)合壽命和非輻射復(fù)合壽命的比值；k為波爾茲曼常數(shù)；T為實(shí)驗(yàn)溫度。利用式(1)對(duì)溫度高于40 K的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表1。由表1可看出，不同激發(fā)功率下非輻射復(fù)合中心的熱激活能不變，說(shuō)明非輻射復(fù)合中心的熱激活能不受激發(fā)功率的影響[11]。熱激活能為0.02 eV的E2缺陷屬于淺能級(jí)缺陷，對(duì)PL強(qiáng)度熱淬滅效應(yīng)的影響程度低，可忽略。熱激活能為0.96 eV的E1缺陷是導(dǎo)致GaAs中間電池PL強(qiáng)度減小的主要因素，是影響電池性能的關(guān)鍵。由圖3還可看出，激發(fā)功率明顯影響PL強(qiáng)度的大小。

表1 電子輻射GaAs電池的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

為更好地確定電子輻射GaAs電池PL強(qiáng)度與激發(fā)功率的關(guān)系，圖4示出PL強(qiáng)度與激發(fā)功率的對(duì)數(shù)關(guān)系，PL強(qiáng)度IPL與激發(fā)功率Pex的關(guān)系為[12]：

(2)

其中，Z為與載流子參與主要復(fù)合方式有關(guān)的參數(shù)。利用式(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，溫度低于40 K時(shí)，指數(shù)Z約為1，此時(shí)IPL與Pex近似呈正比關(guān)系。溫度從150 K升至300 K時(shí)，Z從1.24升至1.96，IPL與Pex近似呈指數(shù)關(guān)系。值得注意的是，300 K時(shí)Z為1.96，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，Z可近似等于2，即IPL與Pex近似呈二次方關(guān)系。

圖4 不同溫度下電子輻射GaAs電池的PL強(qiáng)度隨Pex變化的對(duì)數(shù)圖

根據(jù)不同溫度下PL強(qiáng)度與激發(fā)功率的函數(shù)關(guān)系，對(duì)變溫光致發(fā)光熱淬滅效應(yīng)進(jìn)一步分析。由于PL強(qiáng)度取決于光生載流子的輻射復(fù)合，激發(fā)功率一定時(shí)，強(qiáng)度IPL與電子-空穴的輻射復(fù)合率R(T)呈正比[13]：

IPL∝R(T)=B(T)NeNh

(3)

其中：Ne和Nh分別為電子和空穴濃度；B(T)為輻射復(fù)合系數(shù)，隨溫度的升高而降低[14]。

通常，激發(fā)功率Pex與電子濃度Ne、空穴濃度Nh之間有如下關(guān)系[15]：

(4)

其中：α為吸收系數(shù)；E0為激光光子能量；G、D、R分別為電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率、激子解離率和激子復(fù)合率；τe為電子的非輻射復(fù)合中心壽命。

3 結(jié)論

利用溫度及激發(fā)功率變化光致發(fā)光對(duì)1.0 MeV電子輻射GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池GaAs中間電池的PL光譜進(jìn)行測(cè)量分析，引入Arrhenius方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得出影響GaAs中間電池性能且熱激活能為0.96 eV的非輻射復(fù)合中心。通過(guò)分析PL強(qiáng)度隨激發(fā)功率的變化發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，PL強(qiáng)度與激發(fā)功率由線性關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎畏疥P(guān)系。采用輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制解釋了這種依賴關(guān)系，并證實(shí)了電子輻射GaAs中間電池發(fā)生熱淬滅效應(yīng)的缺陷是非輻射復(fù)合中心，是影響電池性能衰降的內(nèi)在原因。