空間帶電粒子輻照下GaAs太陽電池的輻照損傷效應(yīng)*

盛延輝

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

GaAs太陽電池因?yàn)樗吭降男阅?，已被大家作為電源廣泛的應(yīng)用于航天衛(wèi)星中.然而GaAs太陽電池不可避免的會(huì)受到如帶電子、質(zhì)子、重離子等粒子輻照而損壞，導(dǎo)致太陽電池的性能發(fā)生退化，直接影響航天器在軌服役的可靠性和使用壽命.因此，深入研究帶電粒子輻照環(huán)境下太陽電池的損傷效應(yīng)，準(zhǔn)確預(yù)測太陽電池的在軌行為，對(duì)于優(yōu)化航天器的整體設(shè)計(jì)，提高衛(wèi)星運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義.該文將從電池的宏觀性能變化規(guī)律、輻照損傷微觀缺陷及理論模型模擬三個(gè)方面對(duì)太陽電池的輻照損傷效應(yīng)進(jìn)行.

空間帶電粒子輻照太陽電池后，會(huì)在太陽電池中產(chǎn)生許多晶格缺陷，如位移缺陷、填隙原子等.這些缺陷在太陽電池中起著載流子復(fù)合中心的作用，減小少數(shù)載流子壽命，從而使太陽電池的電學(xué)性能發(fā)生退化.因此研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)主要有兩個(gè)目的:一是提高太陽電池抗輻照性能，為改進(jìn)其制備工藝和防護(hù)方法提供依據(jù);二是為科學(xué)預(yù)測太陽電池在軌行為提供理論指導(dǎo)和試驗(yàn)依據(jù)［1］.

1 太陽電池電學(xué)性能退化規(guī)律研究

空間輻照環(huán)境對(duì)太陽電池性能的影響主要是研究太陽電池輻照前后電學(xué)性能參數(shù)的變化.已有研究結(jié)果表明，太陽電池電學(xué)性能的退化與帶電粒子的性質(zhì)有關(guān).

美國噴氣動(dòng)力試驗(yàn)室的 B.E.Anspaugh［2］比較系統(tǒng)地研究了質(zhì)子和電子能量對(duì)LEP方法生產(chǎn)的GaAs/Ge太陽電池性能的影響.研究結(jié)果為他們后期預(yù)測GaAs/Ge太陽電池在軌行為提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).Messenger S R［2］等人對(duì) Anspaugh B E研究數(shù)據(jù)總結(jié)，還對(duì)50keV質(zhì)子輻照下采用LEP方法和MOCVD方法生產(chǎn)的GaAs/Ge太陽電池Pmax的退化規(guī)律進(jìn)行了比較研究.從研究結(jié)果可知，雖然MOCVD方法成本高，但可以精確控制外延層厚度、濃度和組分，實(shí)現(xiàn)大面積超薄層和多層生長，這些優(yōu)勢是LEP技術(shù)不能達(dá)到的.國內(nèi)的王榮等人［4］研究5～20 MeV質(zhì)子輻照下MOCVD生產(chǎn)的GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷效應(yīng).研究結(jié)果與B.E.Anspaugh的一致.另外他們還研究了0.1～3MeV質(zhì)子輻照下GaAs/Ge電池的輻照損傷效應(yīng)［5］.胡建民［6］研究了小于200 keV質(zhì)子輻照下GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應(yīng)，結(jié)果表明:70keV質(zhì)子輻照下電池開路電壓退化幅度最大，40keV質(zhì)子輻照下太陽電池短路電流退化幅度最大.趙慧杰［7］研究了小于200 keV質(zhì)子輻照下GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應(yīng)，研究結(jié)果與胡建民的一致.從以上研究結(jié)果來看用MOCVD生產(chǎn)的GaAs/Ge太陽電池在小于200 keV質(zhì)子輻照下的損傷效應(yīng)研究還比較少.

由于多結(jié)太陽電池有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，近年來成為研究熱點(diǎn).關(guān)于GaInP/GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應(yīng)以美國海軍試驗(yàn)室的研究工作最具代表性.R.J.Walters［8］等人給出了1 MeV電子輻照前后GaInP/GaAs/Ge電池的光譜響應(yīng).結(jié)果表明，GaAs中間電池抗輻照性能最差.日本航天器研究中心的Mitsuru Imaizumi等人［9］對(duì)比研究了高能電子和質(zhì)子輻照 InGaP/GaAs/Ge太陽電池和Si太陽電池后太陽電池的輻照損傷機(jī)制.結(jié)果比明，InGaP/GaAs/Ge三結(jié)太陽比Si電池的抗輻照性能要好，主要原因是InGaP 頂電池非常好.S.R.Messenger等人［10］對(duì)GaInP/GaAs/Ge太陽電池的質(zhì)子輻照效應(yīng)進(jìn)行了探索性研究.因此可見，多結(jié)太陽電池雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但目前關(guān)于多結(jié)太陽電池的輻照損傷效應(yīng)研究還處于起步階段.

2 輻照損傷微觀缺陷演化規(guī)律分析

太陽電池輻照損傷微觀缺陷的研究主要以深能級(jí)瞬態(tài)譜研究方法(DLTS)最為常見.已有許多人研究了電子輻照在GaAs中的輻照缺陷引入率、缺陷能級(jí)和俘獲截面.D.Pons等人［11］研究LEP方法生產(chǎn)的GaAs/Ge在1Mev電子輻照下所產(chǎn)生陷阱.研究結(jié)果中給出了四個(gè)電子陷阱位置，還給出經(jīng)過500℃退火后，所產(chǎn)生新的較為復(fù)雜的陷阱位置.Bourgoin J C［12］分析了太陽電池輻照引入的缺陷，提出接近禁帶中間的缺陷Ec－0.76 eV是少子壽命縮短的主要原因.然而關(guān)于質(zhì)子輻照微觀缺陷的研究同樣也已經(jīng)受到的廣泛的關(guān)注，許多文章只給出質(zhì)子輻照引起的缺陷能級(jí)和俘獲截面.但在缺陷引入率方面給出的信息較少，特別是空穴缺陷引入率.胡建民［13］研究了小于200keV質(zhì)子分別輻照GaAs/Ge單結(jié)太陽電池和GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池所產(chǎn)生的深能級(jí)缺陷.DLTE結(jié)果表明，100 keV和170 keV質(zhì)子輻照GaAs/Ge太陽電池產(chǎn)生的深能級(jí)分別為Ec－0.31 eV 和Ec－0.47 eV，且隨質(zhì)子能量的增加而缺陷濃度降低;ODLTS結(jié)果表明，小于200 keV質(zhì)子輻照GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池在GaInP子電池中引入的深能級(jí)缺陷主要有Ec－0.26 eV、Ev+0.18 eV 和Ev+0.42 eV，在GaAs子電池中產(chǎn)生的深能級(jí)缺陷主要有Ec－0.015 eV、Ec－ 0.15 eV、Ev+0.33 eV .Zhang X［14］等采用光學(xué)深能級(jí)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.

近年來還有使用光致發(fā)光或電致發(fā)光光譜法研究太陽電池輻照損傷效應(yīng).Wang R［15］等人采用光致發(fā)光分析了1、1.8和11.5MeV電子輻照GaAs/Ge太陽電池的退化，文獻(xiàn)中討論了太陽電池效率η的退化，用光致發(fā)光(PL)測量分析了電子輻照引入的缺陷.趙慧杰［16］用光致發(fā)光光譜法研究了100keV質(zhì)子輻照對(duì)GaAs/Ge太陽電池的光電效應(yīng)的影響，由于質(zhì)子輻照引入的大量缺陷，使晶格空間的完整性受到破壞，導(dǎo)致少子的擴(kuò)散長度降低、表面復(fù)合速度增加所致，從而對(duì)材料的光電性能具有破壞性的影響.光致發(fā)光或電致發(fā)光光譜法雖然可以用來研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)，但這種方法不能確定缺陷類型，對(duì)缺陷濃度也不能做定量分析.所以深能級(jí)瞬態(tài)譜法是表征太陽電池微觀缺陷比較有效的方法.

3 太陽電池載流子輸運(yùn)規(guī)律探索

用理論模型模擬研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)是繼宏觀性能演化規(guī)律研究和輻照損傷微觀缺陷研究之后新的研究方法，目前，國內(nèi)外有很多人采用這種方式來研究太陽電池的輻照損傷缺陷.這種方法是從載流子輸運(yùn)機(jī)制的角度研究了太陽電池的輻照損傷效應(yīng)，并且可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行佐證，從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性.

國外應(yīng)用 PC1D模擬太陽電池輻照損傷效應(yīng)的報(bào)道較多.Roshdy A.AbdelRassoul［17］應(yīng)用PC1D軟件研究了 Si太陽電池在非光照下的I－V特性，給出表面復(fù)合率、少子壽命和溫度對(duì)其電學(xué)性能的影響.Yahia A H［18］對(duì) InP同質(zhì)結(jié)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，PC1D軟件可以很好的應(yīng)用于電池的研究，給出了理論上材料的本征載流子濃度、載流子擴(kuò)散長度和表面復(fù)合率.Cappelletti M A［19］采用 PC1D軟件數(shù)值模擬分析了1MeV電子輻照下InGaP/GaAs/Ge太陽電池中GaAs子電池的電學(xué)性能，結(jié)果表明，InGaP/GaAs/Ge太陽電池的輻射誤差是太陽電池?fù)诫s濃度的函數(shù)，當(dāng)確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)載流子濃度后可以獲得最大的最大功率.

國內(nèi)目前有關(guān)使用PC1D軟件進(jìn)行太陽電池模擬的報(bào)導(dǎo)很少，其應(yīng)用還處于起步階段.孫永亮［20］用PC1D軟件模擬了高能電子、高能質(zhì)子和低能質(zhì)子輻照GaAs單結(jié)電池在電池內(nèi)部損傷過程，給出了可以表示損傷程度的重要物理參量，即擴(kuò)散長度損傷系數(shù)KL和載流子去除率RC.

胡建民［21］在研究了不同能量質(zhì)子和電子輻照GaAs/Ge單結(jié)太陽電池輻照損傷效應(yīng)和機(jī)理時(shí)，在載流子輸運(yùn)機(jī)制的基礎(chǔ)上建立單結(jié)GaAs太陽電池輻照損傷的物理模型即短路電流退化的數(shù)學(xué)模型和開路電壓退化的數(shù)學(xué)模型.這兩個(gè)模型為人們從載流子輸運(yùn)機(jī)制角度研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)提供了新的方法.

4 結(jié)論與展望

目前，國內(nèi)外研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)的方法主要是電學(xué)性能退化規(guī)律、輻照損傷缺陷和理論模型模擬.國際上研究高能粒子輻照GaAs/Ge太陽電池電學(xué)性能退化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較完善，關(guān)于小于200 keV低能質(zhì)子輻照太陽電池性能退化數(shù)據(jù)比較少，GaInP/GaAs/Ge多結(jié)太陽電池輻照損傷效應(yīng)還處于起步階段.而研究太陽電池輻照損傷微觀缺陷的表征方法還比較單一，深能級(jí)瞬態(tài)譜法在給出質(zhì)子輻照缺陷引入率方面的數(shù)據(jù)罕見.所以，太陽電池電學(xué)性能退化和電池輻照損傷缺陷兩方面對(duì)太陽電池的輻照損傷效應(yīng)的研究并不深入，而用物理模型從載流子輸運(yùn)機(jī)制的角度可以更加深入的揭示太陽電池輻照損傷的機(jī)理.所以，利用模型從載流子輸運(yùn)機(jī)制的角度研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)將會(huì)受到人們的廣泛關(guān)注.根據(jù)以上研究情況，該文總結(jié)了太陽電池輻照損傷效應(yīng)可以按流程圖圖1進(jìn)行，通過此流程圖可以清晰明了的知道了研究太陽電池輻照損傷效應(yīng)的過程和解決方法.

圖1 太陽電池輻照損傷效應(yīng)流程

［1］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應(yīng)及在軌性能退化預(yù)測方法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.20.

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［6］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應(yīng)及在軌性能退化預(yù)測方法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.42－45.

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［20］孫永亮.GaAs/Ge太陽電池空間帶電粒子輻照損傷機(jī)理研究.哈爾濱師范大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2013:14.

［21］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應(yīng)及在軌性能退化預(yù)測方法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.56－63.