電子輻照GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池短路電流退化機(jī)制研究*

齊佳紅，胡建民

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

航天器在軌服役期間要經(jīng)歷非常惡劣的空間環(huán)境.GaAs太陽電池因具備高光電轉(zhuǎn)換效率和抗輻照能力而被廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域.為了滿足大功率、長壽命航天器的需要，GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池逐漸成為空間電池的主流.

目前對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池輻照效應(yīng)機(jī)理的研究尚處于探索階段.王榮［1］對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池低能質(zhì)子的輻照效應(yīng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果說明隨著質(zhì)子能量增大，太陽電池的輻照損傷效應(yīng)越小.胡建民［2］對電子輻照效應(yīng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果說明隨著電子能量增大，輻照損傷效應(yīng)越大.這些研究只對帶電粒子輻照后太陽電池光譜響應(yīng)進(jìn)行分析，從而得出輻照損傷效應(yīng)的一般規(guī)律，并未明確給出電池輻照損傷效應(yīng)的微觀解釋.該文通過PC1D［3］模擬1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池光譜響應(yīng)建立少子擴(kuò)散長度隨輻照注量的變化關(guān)系，從而說明短路電流退化的微觀機(jī)制.這一研究不僅為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池在軌行為評價提供理論基礎(chǔ)，而且為延長太陽電池在軌服役壽命提供了理論指導(dǎo).

1 實驗

實驗樣品選用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池，用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法(MOCVD)制備，面積為3×4 cm2，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示.

試驗選擇ELV－8型電子加速器對GaInP/GaAs/Ge太陽電池進(jìn)行1 MeV電子輻照試驗.根據(jù)地面等效模擬加速試驗的等效模擬區(qū)間取電子通量為1×1011cm－2s－1.參照太陽電池國際測試標(biāo)準(zhǔn)［4］，在25 ℃和AM0(輻照功率為1367 Wm－2)太陽光譜輻照條件下進(jìn)行I－V特性測試.GaInP/GaAs/Ge單結(jié)電池開路電壓Voc=2590 mV、短路電流Isc=200 mA、最大功率Pmax=437.3 mW和填充因子FF=83%.

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜響應(yīng)分析

應(yīng)用PC1D程序模擬1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池光譜響應(yīng)曲線如圖2所示.

1 MeV輻照后GaInP頂電池光譜響應(yīng)幾乎沒有發(fā)生衰減，GaAs中間電池發(fā)生明顯衰降，這說明GaInP比GaAs具有更強(qiáng)的抗輻照能力.這是因為 InP中的遷移能VIn(0.26 eV)和VP(1.2 eV)小于 GaAs的遷移能VGa(1.79 eV)和VAs(1.48 eV)，所以 GaInP比GaAs抗輻照能力強(qiáng)［5］.當(dāng)電子注量從 1 ×1015cm－2增加到3 ×1015cm－2，GaInP/GaAs/Ge 太陽電池中間 GaAs電池光譜響應(yīng)在700～900 nm長波波段出現(xiàn)明顯衰降.外量子效率衰降的原因是電子輻照造成GaAs太陽電池基區(qū)和發(fā)射區(qū)少子擴(kuò)散長度減小所致.

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

圖2 電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池的外量子效率

2.2 伏安特性與載流子輸運機(jī)制分析

電子輻照后GaInP電池電學(xué)性能沒有發(fā)生明顯退化，而GaAs中間電池的短路電流發(fā)生明顯衰降，這使GaInP頂電池和GaAs中間電池電流失配，造成GaInP/GaAs/Ge太陽電池電學(xué)性能發(fā)生衰降［6］.圖 3可見，1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池短路電流退化幅度均隨入射電子注量增加而增大，這與太陽電池內(nèi)部載流子的輸運狀態(tài)和性質(zhì)密切相關(guān).

圖3 電子輻照后GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的歸一化電流

少子擴(kuò)散長度隨入射粒子注量的變化關(guān)系式為［7］

式中L0和L分別為輻照前、后的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度;φ為輻照注量;KL為少子擴(kuò)散長度損傷系數(shù)，他反映了單位輻照注量下少子擴(kuò)散長度的相對變化.

通過PC1D程序擬合得到1 MeV電子輻照后GaAs中間電池中少子擴(kuò)散長度隨電子注量變化的關(guān)系曲線，如圖4所示1 MeV電子輻照后GaAs中間電池中少子擴(kuò)散長度隨電子注量的增加而減小.由(1)式計算得到1 MeV電子輻照后GaAs太陽電池的少子擴(kuò)散長度損傷系數(shù)為2.42 ×10－7.

圖4 電子輻照后GaAs中間電池的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度隨電子注量變化的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

該文研究不同能量電子輻照下GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池載流子的運輸機(jī)制.研究結(jié)果表明由于GaAs中間電池短路電流發(fā)生明顯退化，GaInP頂電池和GaAs中間電池電流失配導(dǎo)致GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池短路電流退化.隨著電子輻照注量增加，少數(shù)載流子擴(kuò)散損傷系數(shù)隨輻照電子能量增加而增大，這是GaAs中間電池短路電流隨入射電子注量增大發(fā)生退化及退化幅度隨電子能量增大而增大的根本原因.少子擴(kuò)散長度縮短是造成GaInP/GaAs/Ge太陽電池短路電流發(fā)生退化的內(nèi)在物理機(jī)制.

［1］王榮，劉運宏，孫旭芳，等.國產(chǎn)高效GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的低能質(zhì)子輻照效應(yīng).半導(dǎo)體學(xué)報，2007，28(10):1599－1602.

［2］胡建民，吳宜勇，錢勇，等.GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的電子輻照損傷效應(yīng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2009.5051－5055.

［3］王景宵，杜永超，劉春明.太陽電池模擬軟件–PC1D.21世紀(jì)太陽能新技術(shù)－2003年中國太陽能學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2003.63–65.

［4］ASTM Standard E 2236－05a，Standard Test Methods for Measurement of Electrical Performance and Spectral Response of Nonconcentrator Multijunction Photovoltaic Cells and Modules:http://www.astm.org.

［5］Dharmarasu N，Yamaguchi M，Khan A.High－Radiation－Resistant InGaP/InGaAs/P and InGaAs Solar Cells for Multijuction Solar Cells.Applied Physics，2001，79(15):2399–2401.

［6］牛振紅，郭旗，任迪遠(yuǎn)，等.一種國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的電子輻照特性.核技術(shù)，2007，30(1):37－39.

［7］劉恩科.光電池及其應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社，1989.109－111.