32%效率三結砷化鎵太陽電池設計與在軌應用

仇恒抗，姜德鵬，楊 琴，劉廣明

(1.上海空間電源研究所，上海 200245；2.上海航天技術基礎研究所，上海 201109)

砷化鎵太陽電池已經廣泛應用于空間電源系統，從單結到多結疊層結構發展變化，其效率不斷提高，從最初效率為17%[1]的單結砷化鎵太陽電池，到效率為22%[2]的雙結砷化鎵太陽電池，再到當今國際上批產效率達30%的三結砷化鎵太陽電池[3]。目前我國批產效率為30%的三結GaInP/GaAs/Ge太陽電池已進入工程化應用階段[4]，滿足了衛星、深空探測以及多功能航天運輸系統等對能源的需求。

國內外在空間用高效多結砷化鎵太陽電池方面，主要技術路線為通過調整各結材料的帶隙，選擇更加適用于吸收空間光譜的子電池組合，如將光譜劃分后，選取對應的三結、四結、五結甚至六結太陽電池材料，分別進行吸收，以達到高效轉換的目的。美國Spectrolab 實驗室和德國Fraunhofer 實驗室均推出了光譜更加匹配的四結乃至五結砷化鎵太陽電池，Spectrolab 在國際上首次實現了36%效率太陽電池的小面積實驗室制備，其特點是通過多結電池串聯疊加得到更高的開路電壓，但由于材料之間晶格不匹配等造成的組合困難，目前主要停留在實驗室小面積階段。

為突破三結砷化鎵太陽電池三結晶格匹配的效率極限，本研究通過增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，從而提高三結砷化鎵太陽電池電流密度，將太陽電池效率提升至32%。該效率太陽電池已成功應用于PakTES-1A 衛星太陽電池陣，在軌遙測數據與地面測試數據的對比結果顯示電流最大誤差不大于0.5%，可為航天器用高面積比功率太陽電池陣設計提供技術支持。

1 產品設計

帶隙組合為Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 的三結砷化鎵太陽電池(效率為30%)結構中，頂、中、底子電池的電流密度分別為17.2、18、27 mA/cm2，底電池電流密度為頂中電池電流密度的1.5 倍以上[5]。過多的底電池電流對三結電池轉換效率沒有任何貢獻，最終將以熱能的形式釋放出來。為了進一步提高三結砷化鎵太陽電池轉換效率，減少光能損失，合理的三結電池帶隙組合需要被研究。

針對空間光譜和晶格匹配三結砷化鎵太陽電池原有結構存在的限制，產品設計從輸入光譜劃分、材料選擇和電性能計算三方面開展。

1.1 光譜劃分

30%效率三結砷化鎵太陽電池子電池電流過剩，通過調整頂、中電池帶隙，使頂中電池吸收光譜紅移，同時使頂、中、底電池電流盡量匹配，可以有效提升電池短路電流和轉換效率。選用Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結電池結構，帶隙組合為1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV，各子電池吸收光譜波段如表1所示。

表1 三結太陽電池子電池帶隙與吸收波段關系

太陽電池的電流密度計算公式：

式中：x為計算波段的起始波長，y為計算波段的終止波長，x≤i≤y；λi為該波段光子的波長；Wi為波長為λi時的光照功率；QEi為波長為λi時的量子效率。

理想情況下，假定QE不隨光子波長的變化而變化，為常數1，則在理想情況下，太陽電池的電流密度計算簡化為：

根據太陽電池太陽光譜分段及電流密度計算公式，可知理想情況下，各子電池電壓及電流分布如表2 所示，頂中電池的電流密度劃分較為合理，比30%效率太陽電池的電流密度提升約15%。

表2 理想情況下各子電池電流密度劃分

1.2 材料選擇

在三結電池結構中增加頂電池GaInP 和中電池InGaAs的In 組分，可以降低頂中電池的帶隙寬度，但頂、中電池材料與Ge 襯底之間晶格失配，外延生長會引入失配位錯等大量缺陷，限制電池光電轉換效率。因此，對于晶格失配空間電池外延，解決了晶格失配帶來的位錯也就能解決32%效率的空間電池的關鍵問題。

本文引入應力漸變緩沖層結構生長Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結電池，首先在Ge 襯底上生長晶格匹配的GaInP 初始層、InGaAs 緩沖層以及GaAs 窄帶隙隧穿結(TJ1)，接著通過InGaAs 應力漸變緩沖層將電池的晶格常數從Ge 逐漸增加到目標晶格層Ga0.94In0.06As，晶格失配度為0.3%，最后依次生長與Ga0.94In0.06As 晶格完全匹配的中電池、寬帶隙隧穿結(TJ2)、頂電池以及Cap 層。Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結電池上子電池各層材料依然選用與晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結電池相似的材料，但是不同的In 組分保證各層材料間的晶格匹配。

底電池材料選用Ge，采用擴散的形式，在P-Ge 襯底上形成底電池，禁帶寬度為0.67 eV，晶格常數為0.565 75 nm。

中電池材料選用InGaAs，為獲得較高的電流密度，中電池采用In0.06Ga0.94As 材料，禁帶寬度為1.34 eV，晶格常數采用InGaAs 材料的晶格常數計算公式[6]：

可知，In0.06Ga0.94As 材料的晶格常數為0.567 76 nm。

頂電池采用與中電池匹配的GaInP 材料，禁帶寬度為1.86 eV，晶格常數為0.567 76 nm，做到與中電池匹配。根據InGaP 材料的晶格常數計算公式[6]：

可知，要做到與中電池InGaAs 材料晶格匹配，需要生長54.3%In 組分的InGaP。

根據晶格常數失配度公式：

式中：δs為外延材料相對于襯底的晶格失配度；as為襯底材料的晶格常數；ae為外延層的晶格常數。

由失配度公式及襯底與外延層的晶格常數可知中電池與底電池的晶格失配為：

頂電池做到與中電池匹配，即頂電池與中電池的晶格失配度為0，與底電池Ge 材料的晶格失配度為-0.355%。

1.3 電學特性

根據研究，Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結電池中Ga0.94In0.06As 中電池顯示了最弱的抗輻照性能，故子電池電流設計為頂限5%左右。三結電池Voc由三結子電池Voc和隧穿結壓降共同作用形成，最低的隧穿結壓降可以獲得最高的三結電池Voc。晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結電池性能參數如表3 所示，隧穿結壓降設計如表4 所示。

表3 效率32%電池各子電池電壓及電流設計

表4 隧穿結壓降設計

最終獲得的Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結太陽電池在AM0、25 ℃條件下電池轉換效率達到32%。表5 為效率30%和效率32%電池產品典型性能設計參數對比。

表5 效率30%和效率32%電池產品性能設計參數

2 產品性能及在軌應用

2.1 子電池性能

太陽電池外量子效率測試曲線如圖1 所示。每個子電池的短路電流密度Jsc是由該電池的外量子效率EQE(即將入射光子轉換為光生載流子的能力)和入射光譜Φinc(λ)共同決定的。即：

通過對外量子效率測試曲線進行積分可得，三結砷化鎵太陽電池頂電池(GaInP)電流密度為19.0 mA/cm2，中電池(GaAs)電流密度為19.8 mA/cm2，底電池(Ge)電流密度為23.2 mA/cm2。

圖1 太陽電池外量子效率測試曲線

2.2 鑒定批性能

完成結構定型和攻關試驗后，對32%效率的三結砷化鎵太陽電池產品進行鑒定試驗，鑒定批生產合格率為86.11%。合格太陽電池的效率檔主要分布在31.86%～32.66%，平均光電轉換效率為32.42%，效率分布如圖2 所示，其中效率大于32%的太陽電池數占合格電池數的83.33%。

圖2 鑒定合格的太陽電池效率分布

鑒定電池批平均開路電壓Voc為2 662 mV；其中開路電壓≥2 640 mV的電池占比100%，完成該項指標。平均短路電流密度Jsc為19.4 mA/cm2；其中短路電流密度≥19.1 mA/cm2的電池占比100%。產品典型性能參數如下：開路電壓Voc為2 660 mV；短路電流密度Jsc為19.1 mA/cm2；最佳工作點電壓Vmp為2 350 mV；最佳工作點電流密度Jmp為18.45 mA/cm2；平均光電轉換效率為32%。太陽電池產品實物及I-V曲線如圖3所示。

圖3 32%效率的砷化鎵太陽電池產品實物及I-V曲線

2.3 在軌應用

32%效率砷化鎵太陽電池經過了一系列的地面鑒定試驗，已應用于巴基斯坦PakTES-1A 科學實驗衛星太陽電池陣(圖4)，并通過了型號規定的力學、熱學等試驗考核。所用太陽電池尺寸為60.5 mm×40 mm，典型Vmp為2 350 mV，典型Jmp為18.45 mA/cm2。

圖4 PakTES-1A科學實驗衛星

PakTES-1A 太陽電池陣面積為2.5 m2(2 塊展開板與1 塊體裝板，衛星如圖4 所示)，衛星母線電壓29.5 V，要求3 年壽命末期太陽電池陣輸出功率不小于600 W。采用32%效率太陽電池，設計出太陽電池陣末期功率輸出為604 W，衛星入軌以來，太陽電池陣工作正常、性能穩定，部分子陣遙測電流如表6 所示，SG1 采集量52%、74%表示占空比的百分比。

表6 PakTES-1A 衛星太陽電池陣部分遙測數據

SG1 與SG5 子陣地面測試值如表7 所示。

表7 PakTES-1A 太陽電池陣部分地面測試數據

在軌遙測為母線下太陽陣電流，地面測試值也為母線下電流，再考慮日地因子、溫度、光照角等因素進行折算至近似在軌狀態，具體如下：

式中：I0為標準測試條件下太陽電池陣母線下工作電流；βIP為電流規范化平均溫度系數；Top為太陽電池工作溫度；T0為太陽電池標準測試溫度；Fm為各種因子。按在軌條件折算后輸出如表8 所示。

表8 地面測試結果轉換至在軌條件下輸出

在軌遙測為7 月份數據，除去日地因子(約0.97)后，在軌遙測值與地面測試值比較如表9 所示，二者差距僅為-0.2%和0.5%，遙測數據與地面測試數據一致性較好。

表9 在軌遙測電流與地面測試結果對比

研制的正裝小失配32%(AM0，25 ℃)效率三結砷化鎵太陽電池，小批量合格率達到86%以上，在AM0、135.3 mW/cm2、測試溫度25 ℃的條件下，平均光電轉換效率32.4%，產品通過了地面鑒定試驗、型號地面試驗考核及型號在軌驗證。產品大大提升了航天電源的配套能力，可在后續空間工程廣泛應用。

3 結束語

為突破三結砷化鎵太陽電池三結子電池晶格匹配的效率極限，在充分繼承國內外工程化應用的30%效率三結砷化鎵太陽電池的材料體系基礎上，本文采用了晶格小失配Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結太陽電池結構，通過增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，將太陽電池光電轉換效率提升至32%。該太陽電池已成功應用于PakTES-1A衛星太陽電池陣，在軌兩個子陣遙測電流數據經計算對比，與地面同工況測試結果差異僅為－0.2%和0.5%。該高效三結砷化鎵太陽電池應用于空間太陽電池陣，提高了太陽電池陣面積比功率，將航天器主電源發電能力提升到新的臺階。