質(zhì)子輻照下三結(jié)GaAs太陽電池性能衰退分析

收稿日期：2022-03-23

通信作者：趙 強(qiáng)（1975—），男，博士、副研究員，主要從事粒子束傳輸與束靶互作用的物理機(jī)理和數(shù)值模擬方面的研究。zhaoq@iapcm.ac.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0350 文章編號(hào)：0254-0096（2023）07-0129-06

摘 要：在構(gòu)建三結(jié)GaAs太陽電池模型的基礎(chǔ)上，模擬分析不同能量質(zhì)子輻照下中電池GaAs的性能衰退，對(duì)三結(jié)GaAs電池在軌服役評(píng)估具有重要意義。結(jié)合質(zhì)子與電池靶材發(fā)生的相互作用，建立一種將微觀損傷機(jī)理與宏觀電池性能變化相結(jié)合的電池輻照損傷評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明，在三結(jié)GaAs太陽電池中，40 keV能量的質(zhì)子輻照對(duì)中電池的影響最??；100和150 keV能量的質(zhì)子輻照主要對(duì)中電池基區(qū)造成影響，導(dǎo)致電池性能一定程度上的衰退；70 keV能量的質(zhì)子輻照對(duì)于中電池結(jié)區(qū)的影響最大，從而導(dǎo)致量子效率QE和并聯(lián)電阻[Rsh]的變化最為明顯。

關(guān)鍵詞：太陽電池；質(zhì)子輻照；砷化鎵；量子效率；晶格缺陷

中圖分類號(hào)：TM914.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

自1958年被應(yīng)用于美國(guó)發(fā)射的第二顆衛(wèi)星以來，太陽電池歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，不僅效率得以提高，電池的制備技術(shù)和結(jié)構(gòu)也得到不斷發(fā)展［1］。作為航天系統(tǒng)中的主要供電裝置，太陽電池在軌服役時(shí)，除高效之外，還需具備一定的應(yīng)對(duì)空間中各種粒子輻照的能力。太陽電池在軌工作時(shí)，會(huì)受到空間環(huán)境中電子、質(zhì)子以及其他粒子的輻照作用，其中低能質(zhì)子在入射到電池后會(huì)造成嚴(yán)重的位移損傷［2］，在電池材料中產(chǎn)生晶格缺陷，從而導(dǎo)致電池性能衰退。因此，探究低能質(zhì)子輻照損傷對(duì)于電池性能的影響規(guī)律，對(duì)太陽電池在軌服役周期評(píng)估具有指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)航天用太陽電池以GaAs材料為主，GaAs作為一種直接帶隙半導(dǎo)體，因?yàn)槠鋷稙?.414 eV，與太陽能光譜匹配度較高，且耐高溫，因此被廣泛應(yīng)用于太陽電池的制備中。目前對(duì)于砷化鎵電池的輻照效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外已有一定研究：占芬芬［3］分析了GaAs/AlGaAs太陽電池的受到質(zhì)子輻照后電池電學(xué)性能的變化規(guī)律；Warner等［4］研究了硅離子和質(zhì)子對(duì)GaAs太陽電池的位移損傷效應(yīng)； Aierken等［5］對(duì)太陽電池低能質(zhì)子輻照下的量子效率和光學(xué)特性的變化進(jìn)行了研究；高欣等［6］研究了空間用三結(jié)砷化鎵電池位移損傷效應(yīng)，并得到太陽電池的衰退曲線。本文模擬輻照后太陽電池性能的變化規(guī)律，并分析微觀損傷與宏觀電池性能變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到一種能夠?qū)⑽⒂^損傷機(jī)理與宏觀電池性能變化聯(lián)系起來的太陽電池輻照損傷評(píng)價(jià)方法。

1 建模分析

1.1 三結(jié)砷化鎵太陽電池模型

早在1995年提出多結(jié)太陽電池的概念后，經(jīng)過不斷發(fā)展，多結(jié)電池結(jié)構(gòu)已成為空間用高效太陽電池的主流結(jié)構(gòu)之一［7］。GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池作為目前常見的三結(jié)GaAs太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三結(jié)太陽電池的輻照效應(yīng)主要由對(duì)輻照最為敏感的子電池控制。李俊煒等［8］對(duì)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池輻照分析表明，中電池GaAs電池對(duì)輻照損傷最為敏感，性能的衰退遠(yuǎn)大于頂電池和底電池，電池光伏參數(shù)和量子效率發(fā)生明顯降低。因此，在頂電池GaInP電池、中電池GaAs電池和底電池Ge電池結(jié)構(gòu)中，分析空間輻照條件下中電池GaAs電池的性能變化規(guī)律，對(duì)整個(gè)三結(jié)電池輻照損傷評(píng)估至關(guān)重要。

1.2 輻照模型

使用SRIM軟件可模擬不同能量粒子入射到靶材發(fā)生的相互作用及其造成的損傷效應(yīng)。SRIM在基于蒙特卡洛方法的基礎(chǔ)上，模擬入射粒子與靶材發(fā)生的相互作用，可分析入射粒子及各級(jí)反沖原子的損傷效應(yīng)，并考慮入射粒子和各級(jí)反沖原子發(fā)生的碰撞概率，從而計(jì)算出級(jí)聯(lián)碰撞在靶材料中造成的全部損傷。

對(duì)于太陽電池等器件而言，位移損傷是造成其晶格缺陷和性能衰退的主要原因之一，其中低能質(zhì)子造成的位移損傷更為顯著［9］。質(zhì)子入射到靶材后跟靶材晶格原子發(fā)生相互作用，會(huì)與原子核發(fā)生碰撞，當(dāng)傳遞給晶格原子的能量大于其晶格位移閾能[Ed]時(shí)，會(huì)使靶材的晶格原子發(fā)生移位，形成材料晶格缺陷，造成位移損傷。由入射質(zhì)子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的一級(jí)反沖原子被稱為初級(jí)撞出原子（primary knock-on atom，PKA），當(dāng)PKA具有一定能量時(shí)，可起到與入射粒子相同的作用，繼續(xù)與周圍晶格原子發(fā)生碰撞，向其他晶格原子傳遞能量，從而引發(fā)其移位并繼續(xù)碰撞周圍的原子，形成一系列級(jí)聯(lián)碰撞。全級(jí)聯(lián)計(jì)算模式（F-C模式）可追蹤每個(gè)入射粒子產(chǎn)生的初級(jí)碰撞原子PKA，以及所有次級(jí)反沖原子，直至它們的能量變得非常低而無法引發(fā)任何原子位移（即反沖原子所能傳遞給靶材原子的能量小于其位移閾能[Ed]）。本文通過SRIM軟件F-C模式，模擬質(zhì)子能量為40 、70、100和150 keV時(shí)入射到GaInP/GaAs/Ge太陽電池發(fā)生的相互作用，通過輸出文件VACANCY.txt可看到質(zhì)子束在不同區(qū)域產(chǎn)生的空位數(shù)進(jìn)而分析質(zhì)子束對(duì)電池造成的位移損傷，結(jié)果如圖2所示。

different energies

從圖2中可看出，40 keV能量的質(zhì)子產(chǎn)生的位移損傷主要集中在頂電池，對(duì)中電池的影響較?。?0 keV能量的質(zhì)子入射到中電池GaAs電池，并且產(chǎn)生的位移損傷集中在GaAs電池的結(jié)區(qū)附近；而100和150 keV能量的質(zhì)子對(duì)電池造成的影響相似：損傷主要集中在中電池GaAs電池的基區(qū)，但都未到達(dá)底電池Ge電池。

2 方法分析

在分析評(píng)價(jià)電池質(zhì)子輻照損傷時(shí)，通常采用是位移損傷劑量法［10］，該方法在20世紀(jì)90年代被提出，其基本思想是通過地面模擬太陽電池受到的輻照損傷，結(jié)合太陽電池性能的變化，得出關(guān)于太陽電池在軌性能隨輻照損傷的變化規(guī)律。由于輻照后太陽電池產(chǎn)生的位移損傷劑量參數(shù)具有唯一性、等效性，因此以此為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能有效對(duì)電池在軌性能和服役周期進(jìn)行評(píng)估。另一方面，位移損傷劑量法可將電池宏觀性能的退化規(guī)律與微觀損傷的本質(zhì)相結(jié)合，更有利于分析其電學(xué)性能隨微觀損傷機(jī)理之間的關(guān)系。位移損傷劑量[Dd]計(jì)算方法如式（1）所示。

[Dd=?（E）×ENIEL] （1）

式中：[?（E）]——粒子注量；[ENIEL]——非電離能量損失，其表示單個(gè)入射粒子在材料中用于產(chǎn)生位移損傷部分的能量沉積。[ENIEL]與入射粒子的種類和能量有關(guān)，對(duì)于電子而言，[ENIEL]隨入射電子能量的增大而增大；對(duì)于質(zhì)子而言，[ENIEL]與入射質(zhì)子能量成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。質(zhì)子對(duì)GaAs材料產(chǎn)生的[ENIEL]如圖3所示，當(dāng)能量大于10 keV時(shí)，[ENIEL]隨著入射質(zhì)子能量的增大而減少。

本文在位移損傷劑量法的基礎(chǔ)上結(jié)合太陽電池宏觀電池參數(shù)變化和微觀輻照損傷進(jìn)行建模分析。

2.1 太陽電池宏觀性能分析

對(duì)太陽電池進(jìn)行分析時(shí)，主要使用等效電路模型法，電池的主要參數(shù)有光生電流[Iph]、理想因子[n]、串聯(lián)電阻[Rs]和并聯(lián)電阻[Rsh]等?；诘刃щ娐纺Ｐ停瑖?guó)內(nèi)外已提出多種方法來求解一個(gè)或多個(gè)電池參數(shù)：Priyanka等［11］利用迭代法提取電池串并聯(lián)電阻；Kaminski等［12］通過使用雙指數(shù)模型擬合暗條件下I-V曲線確定了電池串并聯(lián)電阻、飽和電流和品質(zhì)因子等參數(shù)；Dutta等［13］采用單指數(shù)模型擬合得出電池參數(shù)。其中，Kaminski雙指數(shù)暗電流擬合法相比于其他方法限制條件少，且精度較高。除此之外，暗條件下可忽略光照強(qiáng)度的影響，結(jié)果更為準(zhǔn)確。使用雙指數(shù)暗電流擬合法對(duì)電池輻照后電池參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

電池串聯(lián)電阻一般由太陽電池的體電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與太陽電池表面接觸電阻所組成［14］，主要由電池材料和結(jié)構(gòu)本身所控制。因此隨著輻照度增加，電池材料產(chǎn)生空位損傷，從而導(dǎo)致電池串聯(lián)電阻增大。從圖4a可看出，電池串聯(lián)電阻在70 keV時(shí)達(dá)到最大值，而后隨著入射質(zhì)子能量增加到100和150 keV后，電池的串聯(lián)電阻小于70 keV輻照時(shí)的電阻，但都大于40 keV質(zhì)子輻照時(shí)的電阻。造成此現(xiàn)象的原因是由于三結(jié)電池頂電池的屏蔽作用，使得中電池受到40 keV質(zhì)子輻照影響較小，入射質(zhì)子能量達(dá)到70 keV時(shí)開始使中電池產(chǎn)生明顯的變化，而后隨著入射質(zhì)子能量的增加，產(chǎn)生的[ENIEL]又隨之減少，注量一定的情況下，對(duì)電池造成的位移損傷也就小于更低能量的入射質(zhì)子。因此電池的串聯(lián)電阻在70 keV出現(xiàn)最大值，而后逐漸減少，但均大于40 keV質(zhì)子輻照損傷時(shí)的電阻值。

并聯(lián)電阻主要受電池表面復(fù)合和結(jié)區(qū)電流影響。從圖4b中可看出，電池并聯(lián)電阻在70 keV也是最小值，與圖2結(jié)果相吻合。由圖2可看出70 keV的質(zhì)子空位損傷主要產(chǎn)生在電池結(jié)區(qū)附近，與40 keV能量的質(zhì)子和更高能量的質(zhì)子相比，對(duì)中電池的表面復(fù)合以及結(jié)區(qū)影響最大，因此70 keV對(duì)中電池并聯(lián)電阻的影響最大。當(dāng)入射質(zhì)子能量逐漸增大到100和150 keV時(shí)，不僅產(chǎn)生的位移損傷更小，另一方面，產(chǎn)生位移損傷的區(qū)域也會(huì)隨之向基區(qū)移動(dòng)。

將輻照后電池參數(shù)代入1.1節(jié)構(gòu)建的電池建模中，得到不同能量情況下電池I-V曲線圖如圖5所示。

2.2 太陽電池微觀損傷分析

量子效率是衡量太陽電池性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)于中電池GaAs太陽電池而言，對(duì)太陽光波段吸收主要集中在200～900 nm［15-16］。在得到輻照后電池宏觀性能參數(shù)的變化后，從PC1D中可得到輻照后電池的量子效率。GaAs太陽電池受到40、70、150 keV能量質(zhì)子的輻照損傷后，電池量子效率變化如圖6所示。

從圖6中可看出，經(jīng)輻照后中電池GaAs量子效率在300～500 nm波長(zhǎng)處下降最為明顯，因?yàn)榇藭r(shí)量子效率主要受到電池表面電流的影響。結(jié)合圖2可知，在實(shí)際的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池中，中電池GaAs電池的衰退需考慮不同能量粒子的射程和頂電池的屏蔽作用。從圖2可看出，能量在40 keV的質(zhì)子空位損傷基本上都在頂電池上，因此對(duì)中電池GaAs影響最小。而當(dāng)質(zhì)子的能量達(dá)到70 keV時(shí)，位移損傷主要產(chǎn)生在中電池GaAs電池中，且70 keV質(zhì)子主要在電池結(jié)區(qū)產(chǎn)生損傷，對(duì)于電池并聯(lián)電阻影響最大，對(duì)中電池量子效率的影響也最為明顯。

3 結(jié)果分析

質(zhì)子入射到電池時(shí)，當(dāng)入射能量較小時(shí)，由于頂電池的屏蔽作用，其很難到達(dá)中電池，故對(duì)中電池不會(huì)造成明顯的位移損傷；隨著入射質(zhì)子能量的增大，質(zhì)子可穿過頂電池到達(dá)中電池并對(duì)中電池造成損傷。另一方面，從圖3可知，只考慮入射質(zhì)子能量與靶材產(chǎn)生的[ENIEL]，質(zhì)子造成的位移損傷與入射質(zhì)子能量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖2給出不同能量的質(zhì)子在三結(jié)GaAs電池中造成的位移損傷分布，結(jié)果顯示， 能量較小的40 keV入射質(zhì)子并未對(duì)中電池產(chǎn)生明顯的位移損傷；入射質(zhì)子能量在70 keV時(shí)，主要對(duì)中電池結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生損傷；提高入射質(zhì)子能量到100和150 keV后，雖然產(chǎn)生損傷的區(qū)域仍然主要集中在中電池的基區(qū)，但相比于70 keV能量的質(zhì)子產(chǎn)生的[ENIEL]更少，因此造成的位移損傷也更小。結(jié)合圖4中電池串聯(lián)和電阻和并聯(lián)電阻的變化以及圖6電池量子效率的變化，可建立微觀與宏觀相結(jié)合的評(píng)價(jià)質(zhì)子輻照損傷的方法。其方法思路如圖7所示.

4 結(jié) 論

本文通過使用SRIM軟件模擬了質(zhì)子與GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池相互作用，并通過等效電路模型法提取出輻照前后電池的性能參數(shù)（串聯(lián)電阻[Rs]、并聯(lián)電阻[Rsh]）。對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行微觀損傷機(jī)理的分析和宏觀電池參數(shù)變化趨勢(shì)。

一方面，雖然入射質(zhì)子的能量與質(zhì)子產(chǎn)生的位移損傷成負(fù)相關(guān)的關(guān)系：隨著入射質(zhì)子能量的增大會(huì)隨之減少，低能質(zhì)子對(duì)電池造成的損傷相比于高能質(zhì)子更加嚴(yán)重。但入射質(zhì)子能量越大質(zhì)子的射程與造成損傷的區(qū)域也會(huì)隨之改變，因此在分析質(zhì)子輻照時(shí)，不僅需要考慮質(zhì)子的能量，還需結(jié)合不同能量下入射質(zhì)子的射程以及與靶材發(fā)生相互作用的區(qū)域。而當(dāng)質(zhì)子入射到三結(jié)電池時(shí)，由于頂電池GaInP電池的存在，導(dǎo)致小于70 keV的質(zhì)子對(duì)中電池造成的影響較??；而當(dāng)質(zhì)子能量到達(dá)70 keV時(shí)，入射質(zhì)子會(huì)完全穿過頂電池入射到中電池，對(duì)中電池GaAs電池造成影響；隨著能量增加到100 keV之后，主要損傷區(qū)域逐漸后移至中電池的基區(qū)，并且質(zhì)子能量的增加也會(huì)導(dǎo)致[ENIEL]的減少，從而對(duì)電池的影響逐漸降低。

另一方面，結(jié)合宏觀方面電池性能參數(shù)的變化，入射質(zhì)子在40 keV時(shí)由于頂電池的屏蔽作用，對(duì)中電池GaAs電池影響較?。欢?0 keV的質(zhì)子主要對(duì)電池表面電流和結(jié)區(qū)造成影響，且此時(shí)相比于更高能量的質(zhì)子，電池產(chǎn)生的[ENIEL]更高，注量不變的情況下，造成的位移損傷更加明顯，從而對(duì)電池量子效率和并聯(lián)電阻的影響最大；100和150 keV能量的質(zhì)子造成的位移損傷主要集中在中電池的基區(qū)，雖然也會(huì)造成電池串并聯(lián)電阻的變化，但弱于70 keV能量的質(zhì)子造成的損傷。70、100和150 keV能量的入射質(zhì)子使體電阻的增加，從而影響到電池串聯(lián)電阻[Rs]的增加，對(duì)于結(jié)區(qū)的損傷，造成電池并聯(lián)電阻[Rsh]的減小，其中70 keV對(duì)中電池影響最為明顯，且三結(jié)電池輻照損傷主要由對(duì)輻照最敏感子電池——中電池GaAs控制。因此，在本文4種低能質(zhì)子中，70 keV能量的質(zhì)子對(duì)三結(jié)電池影響最為重要。

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PERFORMANCE DEGRADATION ANALYSIS OF TRIPLE JUNCTION GaAs SOLAR CELLS UNDER PROTON IRRADIATION

Sun Hongwei1，Hao Jianhong1，Zhao Qiang2，F(xiàn)an Jieqing1，Zhang Fang2，Dong Zhiwei2

（1. School of Electrical and Electronics Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China；

2. Institute of Applied Physics and Computational Mathematics， Beijing 100094， China）

Abstract：The irradiation simulation analysis of protons with different energy for three junction GaAs solar cells is of great significance to the on orbit service evaluation of the cells. In this study， a three junction GaAs solar cell model is constructed， and the performance degradation of the cell under proton irradiation with different energy is simulated； Combined with the interaction between proton and battery target， a battery irradiation damage evaluation method combining micro damage mechanism with macro battery performance change was established. The results show that in the three junction GaAs battery， the proton irradiation with 70 keV energy has the greatest influence on the junction region of the battery， resulting in the most obvious changes in quantum efficiency QE and parallel resistance. Proton irradiation with 40 keV energy has the least impact on the medium battery， while proton irradiation with 100 keV and 150 keV energy mainly affects the base area of the medium battery， resulting in the most obvious change of series resistance of the battery.

Keywords：solar cells； proton irradiation； GaAs； quantum efficiency； lattice defect