空間用倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池及其抗輻射性能研究?

宋明輝 王篤祥 畢京鋒 陳文浚 李明陽(yáng) 李森林 劉冠洲 吳超瑜

(天津三安光電有限公司,天津 300387)

空間用倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池及其抗輻射性能研究?

宋明輝?王篤祥 畢京鋒 陳文浚 李明陽(yáng) 李森林 劉冠洲 吳超瑜

(天津三安光電有限公司,天津 300387)

倒裝生長(zhǎng),空間電池,電子輻照

1 引 言

近年來(lái),隨著金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,III-V族化合物半導(dǎo)體多結(jié)太陽(yáng)能電池性能得到不斷改善,并以其較高的轉(zhuǎn)換效率、較好的溫度系數(shù)和抗輻射能力取代了Si電池成為空間飛行器的主要能量來(lái)源.目前,國(guó)際上研究最多且應(yīng)用最廣的多結(jié)電池為Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三結(jié)電池.Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三結(jié)電池具有晶格匹配的優(yōu)點(diǎn),容易通過(guò)MOCVD技術(shù)外延獲得較高的晶體質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率.經(jīng)過(guò)研究人員多年的不懈努力,此類(lèi)型三結(jié)電池的大規(guī)模量產(chǎn)效率已從24%提高到了30%,然而其效率進(jìn)一步提升的空間是有限的[1?3].理論實(shí)驗(yàn)研究表明,Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge三結(jié)電池中Ge底電池電流一般是Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge頂中電池的1.5倍以上,多余的電流對(duì)三結(jié)電池效率并無(wú)貢獻(xiàn).

使用帶隙為1.0 eV的In0.3Ga0.7As作為三結(jié)電池的底電池,可以在保證其他參數(shù)不變(如短路電流和填充因子)的情況下有效提高三結(jié)電池的開(kāi)路電壓,繼而使得三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%以上(AM0,單倍).優(yōu)先生長(zhǎng)晶格匹配的頂中子電池,再生長(zhǎng)晶格失配的底電池這一電池結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池[4].2005年美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)率先開(kāi)展了GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)電池的相關(guān)研究,單倍、AM1.5G光譜、25?C下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率31.1%,2007年研究人員又將電池轉(zhuǎn)換效率提升到了33.8%,同時(shí)單倍、AM0光譜下電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30.6%[5,6].然而,隨后美國(guó)Emcore公司卻一直保持了該研究方向上的國(guó)際領(lǐng)先地位.2008年,Emcore公司報(bào)道其4 cm2面積的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)電池,單倍、AM0下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%[7],2012年進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.53Ga0.47As倒裝四結(jié)太陽(yáng)能電池,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34.5%,輻照維持比約82%[8,9].最近該公司已成功推出倒裝四結(jié)電池產(chǎn)品,量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率約33%,輻照維持比約81%.此外,美國(guó)Spectrolab公司和日本Sharp公司也在這一研究方向上開(kāi)展了許多相關(guān)工作[10?12].2013年,Spectrolab公司報(bào)道其24 cm2面積的AlGaInP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)電池和AlGaInP/AlGaAs/InGaAs/InGaAs倒裝四結(jié)電池,單倍、AM0下轉(zhuǎn)換效率均為32.1%,而輻照維持比分別為84%和80%[12].2014年,Sharp公司報(bào)道其27 cm2面積的GaInP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)電池,單倍,AM0下轉(zhuǎn)換效率為31.5%,而輻照后轉(zhuǎn)換效率衰降為27%,輻照維持比約85.7%[10].

相比之下,國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究相對(duì)較少.本文對(duì)空間用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池及其抗輻照性能進(jìn)行研究,高分辨X射線(xiàn)衍射(HRXRD)和陰極射線(xiàn)發(fā)光(CL)測(cè)試結(jié)果顯示倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池具有良好的晶體質(zhì)量和低的穿透位錯(cuò)密度.I-V測(cè)試結(jié)果顯示,單倍、AM0、25?C下面積24 cm2的倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%,1 MeV電子、1×1015/cm2輻照總劑量下電池轉(zhuǎn)換效率衰降約為27.2%,衰降比例約15%.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文采用量產(chǎn)型AIX2800-G4 LP-MOCVD系統(tǒng)進(jìn)行材料的外延生長(zhǎng),以砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)作為化學(xué)氣相反應(yīng)源,乙硅烷(Si2H6)和二乙基鋅(DEZn)作為摻雜源,氫氣(H2)作為載氣,選用直徑4英寸(1 in=2.54 cm),(100)面偏向(111)面9?的n型GaAs作為生長(zhǎng)襯底.材料生長(zhǎng)過(guò)程中反應(yīng)室壓力維持在50 mbar(1 bar=105Pa),溫度控制在600—700?C之間.

圖1所示為空間用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池和AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖,首先在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)晶格匹配的GaInP頂電池和GaAs中電池,頂中電池之間由GaInP:Te/AlGaAs:C寬帶隙隧穿結(jié)連接,緊接著生長(zhǎng)第二個(gè)GaInP:Te/AlGaAs:C寬帶隙隧穿結(jié)用于連接中底電池,然后在第二個(gè)隧穿結(jié)上外延生長(zhǎng)AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層,晶格常數(shù)由GaAs的5.654 ?增大到In0.3Ga0.7As的5.775 ?,晶格失配度約為2%,最后生長(zhǎng)In0.3Ga0.7As底電池.本文采用Al和Ga流量不變、In流量逐層增加的方式生長(zhǎng)AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層,整個(gè)漸變緩沖層的帶隙寬度均高于GaAs,以實(shí)現(xiàn)對(duì)In0.3Ga0.7As底電池良好的透光性.外延生長(zhǎng)之后,使用HRXRD分析測(cè)試電池結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量、應(yīng)力弛豫度和組分,使用CL檢測(cè)電池結(jié)構(gòu),主要是應(yīng)力漸變緩沖層的穿透位錯(cuò)密度.

圖1 (a)空間用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池;(b)AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic structures of(a)inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cell and(b)AlInGaAs graded bu ff er for space application.

以Si片作為支撐襯底,通過(guò)Au-Au鍵合工藝將三結(jié)電池倒置鍵合在Si片上,去除GaAs生長(zhǎng)襯底后實(shí)現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn),之后通過(guò)常規(guī)芯片工藝將電池外延片制作成面積為24 cm2的電池芯片.設(shè)定電極占空比為1.5%,采用光刻工藝制作電極圖形,AuGe/Ni/Au/Ag用于正面電極,厚度約為6μm,Ag/Au用于背面電極,厚度約為3μm.選擇性濕法腐蝕工藝去除柵線(xiàn)間的GaAs歐姆接觸層,之后蒸鍍Al2O3/TiO2雙層減反膜以降低電池表面入射光損失.制作成的電池芯片分別使用Enlitech EQE系統(tǒng)和Spectrolab X-25太陽(yáng)模擬器來(lái)表征其外量子效率(EQE)和I-V特性,使用ELV-8型號(hào)高能電子加速器來(lái)模擬空間電池在軌運(yùn)行遭受的電子輻照環(huán)境,用于表征電池的抗輻射性能.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池特性

在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)高效率GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)時(shí),GaInP頂電池和GaAs中電池為晶格匹配外延生長(zhǎng),容易獲得較好的光電特性.繼續(xù)外延生長(zhǎng)晶格失配的In0.3Ga0.7As材料,過(guò)大的晶格失配度將會(huì)導(dǎo)致In0.3Ga0.7As體內(nèi)出現(xiàn)大量的穿透位錯(cuò)等缺陷,作為非輻射復(fù)合中心,從而大大降低少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,嚴(yán)重影響In0.3Ga0.7As子電池的光電特性.為了解決上述問(wèn)題,本文采用In組分階梯型漸變的AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層來(lái)提高底電池的晶體質(zhì)量和光電性能.

如圖1(b)所示,本文中AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層由11層材料組成,其中目標(biāo)層厚度約為1μm,overshoot層厚度約800 nm,而overshoot層以下每層材料厚度大約350 nm.Overshoot層具有最高的In組分和較厚的厚度,從而可以有效平衡應(yīng)力漸變緩沖層的內(nèi)應(yīng)力,抑制穿透位錯(cuò)向目標(biāo)層的延伸.使用HRXRD測(cè)試AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層非對(duì)稱(chēng)(115)晶面上的倒易空間圖譜,圖2結(jié)果顯示應(yīng)力漸變緩沖層的晶格弛豫度約100%,即(Al0.7Ga0.3)0.7In0.3GaAs目標(biāo)層的垂直晶格常數(shù)a⊥與水平晶格常數(shù)a//基本相等,目標(biāo)層處于非應(yīng)力狀態(tài).(004)和(115)面的XRD搖擺曲線(xiàn)結(jié)果顯示,目標(biāo)層的半高寬分別為117 arcsec和147 arcsec,而晶格匹配GaInP/GaAs雙結(jié)子電池的半高寬分別為73 arcsec和78 arcsec,前者與后者的比值分別為1.6和1.9,較小的半高寬比值說(shuō)明AlIn-GaAs應(yīng)力漸變緩沖層具有優(yōu)化的材料結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)條件以及良好的晶體質(zhì)量,這為后續(xù)生長(zhǎng)高晶體質(zhì)量的In0.3Ga0.7As底電池奠定了基礎(chǔ).

圖2 (網(wǎng)刊彩色)HRXRD測(cè)試AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層(115)晶面上的倒易空間圖譜Fig.2.(color online)HRXRD reciprocal space map of AlInGaAs graded bu ff er using the asymmetric(115)glancing exit reflection.

CL測(cè)試可以更為直接地反映應(yīng)力漸變緩沖層穿透位錯(cuò)密度的大小.本文在4英寸倒裝三結(jié)電池外延片整面上選擇了3處,平邊、中心和圓邊,分別測(cè)試該處應(yīng)力漸變緩沖層的CL,以判斷整個(gè)外延片穿透位錯(cuò)密度的分布和大小(如圖3所示).3處CL圖片結(jié)果顯示,平邊和中心處的穿透位錯(cuò)密度相近,分別為3×106/cm2和4.5×106/cm2,而圓邊處的穿透位錯(cuò)密度稍大,約8.8×106/cm2,外延片整面的穿透位錯(cuò)密度平均約為5.4×106/cm2,這一結(jié)果與Emcore公司的報(bào)道相似[8,13].另外,CL測(cè)試并沒(méi)有探測(cè)到晶格匹配GaInP頂電池和GaAs中電池的穿透位錯(cuò),而據(jù)Emcore公司報(bào)道,其生長(zhǎng)的倒裝三結(jié)電池中晶格匹配GaAs子電池具有密度約5×105/cm2的穿透位錯(cuò)[13].較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文獲得的應(yīng)力漸變緩沖層在外延生長(zhǎng)過(guò)程中底層穿透位錯(cuò)不會(huì)大量向下擴(kuò)散,從而保證了GaAs中電池具有較高的晶體質(zhì)量.

圖3 (a)4英寸外延片上取(b)平邊、(c)中心、(d)圓邊共3處,分別測(cè)試該處應(yīng)力漸變緩沖層的CL譜Fig.3.CL images of AlInGaAs graded bu ff er in(a)three areas across the 4 inch wafer,(b) fl at,(c)center and(d)round.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的EL測(cè)試結(jié)果Fig.4.(color online)EL image of inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cell.

使用Au-Au鍵合工藝將倒裝三結(jié)電池外延層鍵合到Si片上,通過(guò)鍵合條件的優(yōu)化和鍵合界面潔凈度的控制,外延層與Si片之間鍵合狀況良好,無(wú)明顯外延層脫落問(wèn)題,同時(shí)電致發(fā)光(EL)測(cè)試結(jié)果顯示制作成的電池芯片發(fā)光均勻,無(wú)明顯缺陷(如圖4所示). 圖5(a)為GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的EQE曲線(xiàn).與GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池相比[14],倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池子電池具有相似的光譜響應(yīng)強(qiáng)度,而外延生長(zhǎng)條件的精確控制使得頂中子電池短波響應(yīng)與常規(guī)三結(jié)電池基本一致.與GaAs襯底完全晶格匹配,倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池中GaInP頂電池和GaAs中電池具有相對(duì)較低的In組分和較大的禁帶寬度,使得兩個(gè)子電池吸收邊產(chǎn)生了不同程度的藍(lán)移,從而導(dǎo)致頂中子電池的積分電流密度相對(duì)較低,分別為16.8和17.1 mA/cm2.In0.3Ga0.7As底電池的吸收邊約為1265 nm,禁帶寬度約為0.98 eV,平均穿透位錯(cuò)密度約5.4×106/cm2情況下其積分電流密度達(dá)到了18.6 mA/cm2.單倍、AM0、25?C測(cè)試條件下,面積24 cm2的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池I-V特性曲線(xiàn)顯示其開(kāi)路電壓達(dá)到3.045 V,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%,如圖5(b)所示.與GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池相比[14],倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓(Voc)提高了10%,短路電流(Isc)減少了2%,填充因子(FF)降低了3%,最終轉(zhuǎn)換效率(Eff)提高了5%,具體數(shù)據(jù)如表1所列.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)單倍、AM0、25?C測(cè)試條件下,面積24 cm2的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池和GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池的(a)EQE曲線(xiàn)和(b)I-V特性曲線(xiàn)Fig.5.(color online)(a)EQE and(b)I-V curves of inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cell under one sun,AM0 spectrum,25?C,in comparison with that of latticematched GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell with 24 cm2area.

表1 面積24 cm2的GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池和GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池的I-V特性參數(shù)比較Table 1. I-V characteristics of inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As and lattice-matched GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell with 24 cm2area.

3.2 抗輻射性能

在空間環(huán)境中多結(jié)電池將不可避免地受到高能粒子輻射,如高能電子和高能質(zhì)子等,使得電池材料內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷,少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命降低,自由載流子濃度降低,界面復(fù)合速率增大,光生載流子的收集效率降低,暗電流增加,最終導(dǎo)致電池性能的衰降.

為了評(píng)估GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的抗輻射能力,本文采用了國(guó)際通用的輻照條件即能量1 MeV高能電子,輻照通量為1×1011/(cm2·s),同時(shí)分三種不同輻照總劑量(1×1014/cm2,5×1014/cm2和1×1015/cm2)對(duì)三結(jié)電池進(jìn)行輻照測(cè)試.表2列出了不同輻照總劑量下倒裝三結(jié)電池EQE和I-V特性參數(shù)的輻照維持因子,結(jié)果顯示隨著輻照總劑量的增加,GaInP頂電池EQE輻照維持因子從99.8%逐漸降低為99.6%,變化量較小,GaAs中電池EQE輻照維持因子從99.7%逐漸降低為93.0%,變化量相對(duì)較大,而In0.3Ga0.7As底電池EQE輻照維持因子從97.0%逐漸降低為85.8%,變化量最大.三結(jié)電池中In0.3Ga0.7As底電池具有較高的位錯(cuò)密度和較差的晶體質(zhì)量,這使得其抗輻射能力在三結(jié)電池中表現(xiàn)最差,故而顯示了最大的輻照衰降比例,同時(shí)也使得三結(jié)電池從輻照前頂電池限流轉(zhuǎn)變成輻照后底電池限流,嚴(yán)重降低了倒裝三結(jié)電池輻照后的轉(zhuǎn)換效率.根據(jù)文獻(xiàn)[8],Emcore公司也報(bào)道了相似的輻照結(jié)果.圖6顯示了不同電子輻射總劑量下GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的EQE曲線(xiàn),可以看出隨著輻照總劑量的增加,三個(gè)子電池的EQE衰退均主要來(lái)自于長(zhǎng)波段,且子電池輻照維持因子越小,長(zhǎng)波段光譜響應(yīng)衰降越明顯.根據(jù)文獻(xiàn)[15]的理論研究結(jié)果,高能電子輻照將導(dǎo)致電池體內(nèi)缺陷增加,作為復(fù)合中心嚴(yán)重減小少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,降低光生載流子的收集效率,最終導(dǎo)致長(zhǎng)波段光譜響應(yīng)的降低.

對(duì)于I-V特性參數(shù),隨著輻照總劑量的增加,倒裝三結(jié)電池的Isc,Voc和Eff的輻照維持因子均逐漸減小,而FF基本保持恒定,其中Isc輻照維持因子從99.2%逐漸降低為94.6%,Voc輻照維持因子從95.4%逐漸降低為89.3%,而Eff輻照維持因子從95.5%逐漸降低為85%,這與文獻(xiàn)[12]的報(bào)道結(jié)果相似.三結(jié)電池的Isc通常由三個(gè)子電池電流的最小值決定,因此輻照情況下Isc的輻照衰降取決于三個(gè)子電池光譜響應(yīng)的衰降.根據(jù)等效電路模型,太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓如下式:

其中,Rsh為電池并聯(lián)電阻,J01和J02為電池漏電流,K為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度.由此可知,電子輻照過(guò)程中輻照缺陷導(dǎo)致了電池漏電流的增加,并聯(lián)電阻降低,從而使得電池Voc產(chǎn)生衰降.最終在1×1015/cm2輻照總劑量下實(shí)現(xiàn)GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池輻照后轉(zhuǎn)換效率約27.2%,輻照維持因子約85.0%,輻照衰降約15%.為了進(jìn)一步提升In0.3Ga0.7As底電池的抗輻照能力,降低倒裝三結(jié)電池的輻照衰降比例,后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)In0.3Ga0.7As底電池晶體質(zhì)量和電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.通常情況下,降低InGaAs底電池的In組分和晶格失配度,可以有效降低應(yīng)力漸變緩沖層的外延生長(zhǎng)難度,有利于獲得較高質(zhì)量的底電池,然而底電池In組分的降低也將導(dǎo)致電池吸收光譜變窄,電流減小,因此最佳的底電池In組分需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.通過(guò)不斷優(yōu)化AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層結(jié)構(gòu),如摻雜濃度、In組分變化梯度、生長(zhǎng)厚度等,以及外延生長(zhǎng)條件,如生長(zhǎng)溫度、速率、V/III等,將有利于獲得較高質(zhì)量的應(yīng)力漸變緩沖層,提高底電池晶體質(zhì)量.通過(guò)不斷優(yōu)化電池結(jié)構(gòu),如摻雜濃度、摻雜分布、基區(qū)厚度,以及外延生長(zhǎng)條件,也將有利于進(jìn)一步提高底電池抗輻照性能.

表2 能量為1 MeV電子、不同輻照總劑量下GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池EQE和I-V特性參數(shù)的輻照維持因子?Table 2. Remaining factors of EQE and I-V characteristics of inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cells as a function of 1 MeV electron fluence.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)能量為1 MeV電子時(shí),不同輻照總劑量下GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的EQE衰降Fig.6.(color online)Degradation of EQE of inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cell under 1 MeV electron irradiation.

4 總 結(jié)

本文使用MOCVD外延生長(zhǎng)技術(shù),在4英寸GaAs襯底上外延生長(zhǎng)獲得了空間用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池.HRXRD和CL測(cè)試結(jié)果顯示倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池具有良好的晶體質(zhì)量,面內(nèi)平均穿透位錯(cuò)密度達(dá)到5.4×106/cm2.經(jīng)過(guò)外延芯片工藝的不斷優(yōu)化,獲得了高效率、大尺寸的倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池,在單倍、AM0、25?C下面積24 cm2的三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%,與GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池相比轉(zhuǎn)換效率提高了5%.在能量為1 MeV電子、不同輻照總劑量下研究了GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的抗輻射能力.隨著輻照總劑量的增加,GaInP頂電池EQE輻照維持因子從99.8%逐漸降低為99.6%,變化量較小,GaAs中電池EQE輻照維持因子從99.7%逐漸降低為93.0%,變化量相對(duì)較大,而In0.3Ga0.7As底電池EQE輻照維持因子從97.0%逐漸降低為85.8%,顯示了最大的變化量和最差的抗輻射能力,使得三結(jié)電池從輻照前頂電池限流轉(zhuǎn)變成輻照后底電池限流.高能電子輻照后倒裝三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率的輻照維持因子也從95.5%逐漸降低,最終在1×1015/cm2輻照總劑量下達(dá)到85.0%,輻照衰降達(dá)到15%,輻照后轉(zhuǎn)換效率衰降為27.2%.后續(xù)需要開(kāi)展更多的實(shí)驗(yàn)研究,尤其是針對(duì)AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層、In0.3Ga0.7As底電池結(jié)構(gòu)和外延生長(zhǎng)條件的優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以進(jìn)一步提高倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和抗輻射能力.

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Inverted metamorphic triple-junction solar cell and its radiation hardness for space applications?

Song Ming-Hui?Wang Du-Xiang Bi Jing-Feng Chen Wen-Jun Li Ming-Yang Li Sen-Lin Liu Guan-Zhou Wu Chao-Yu
(Tianjin San’an Optoelectronics Co.,Ltd,Tianjin 300387,China)

5 May 2017;revised manuscript

7 June 2017)

In recent years,with the development of solar cell technology,the conversion efficiency of the lattice-matched Ga0.51In0.49P/In0.01Ga0.99As/Ge triple-junction solar cell has achieved 30%under AM0 spectrum.As is well known,it is difficult to further improve the efficiency due to the limited bandgap combination.Therefore,an inverted metamorphic triple-junction solar cell is designed by replacing the Ge subcell with a 1.0 eV InGaAs subcell.The efficiency could be increased with the open-circuit voltage increasing,while the short circuit current maintains a similar value.

In this paper,the inverted metamorphic GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As triple-junction solar cells are grown on 4-inch GaAs substrates via metal organic chemical vapor deposition.Optimizing the epitaxy process,AlInGaAs graded buffer shows nearly 100% relaxation by the reciprocal space mapping of the high-resolution X-ray diffraction and low average threading dislocation density～5.4×106/cm2evaluated from the cathodoluminescence image.Finally,the inverted metamorphic triple-junction solar cell with 24 cm2area shows a conversion efficiency of 32% with an open-circuit voltage of 3.045 V and a short-circuit current of 404.5 m A under one sun,AM0 spectrum,25?C conditions,which is 5%higher than the lattice-matched GaInP/InGaAs/Ge triple-junction solar cell.Under 1 MeV electron irradiation test,the degradations of the external quantum efficiency andI-Vcharacteristics of inverted metamorphic triple-junction solar cell are exhibited each as a function of fluence,and finally the end-of-life efficiency is 27.2%with a degradation of 15% under 1×1015/cm2fluence.More experiments mainly focusing on the lattice quality of AlInGaAs graded bu ff er and the structure of In0.3Ga0.7As subcell,will be carried out to improve the efficiency and enhance the radiation hardness.

inverted metamorphic,space solar cell,electron radiation

(2017年5月5日收到;2017年6月7日收到修改稿)

使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù),在4英寸GaAs襯底上獲得了空間用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池.高分辨X射線(xiàn)衍射和陰極射線(xiàn)發(fā)光測(cè)試結(jié)果表明AlInGaAs應(yīng)力漸變緩沖層的晶格弛豫度約100%,其整面平均穿透位錯(cuò)密度約5.4×106/cm2.與GaInP/InGaAs/Ge常規(guī)三結(jié)太陽(yáng)能電池相比,在AM0光譜、25?C測(cè)試條件下,面積24 cm2的倒裝三結(jié)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%,輸出功率提高了5%.采用1 MeV高能電子對(duì)倒裝三結(jié)電池進(jìn)行粒子輻照測(cè)試,電池各項(xiàng)性能參數(shù)隨不同輻照劑量發(fā)生改變,在1×1015/cm2輻照總劑量下電池轉(zhuǎn)換效率衰降比例達(dá)到15%.

10.7498/aps.66.188801

?天津市科技小巨人領(lǐng)軍企業(yè)培育重大項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):14ZXLJGX00400)和天津市科技支撐計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):16YFZCGX00030)資助的課題.

?通信作者.E-mail:songminghui@sanan-e.com

感謝上海空間電源研究所在電池性能表征方面給予的幫助,感謝中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所在高能電子輻照測(cè)試方面給予的幫助.

PACS:88.40.Hj,84.60.Jt,61.80.FeDOI:10.7498/aps.66.188801

*Project supported by the Grand from Tianjin Little Giant Fund,China(Grant No.14ZXLJGX00400)and the Tianjin Science and Technology Support Plan,China(Grant No.16YFZCGX00030).

?Corresponding author.E-mail:songminghui@sanan-e.com