GaInP/GaAs/Ge太陽電池發(fā)展現(xiàn)狀

孫永亮

(哈爾濱師范大學)

0 引言

太陽電池是把光能直接轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換器件，其結(jié)構(gòu)是一個半導體材料制成的PN結(jié)，太陽光輻照在電池上，價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導帶上，在價帶留下一個空穴，即產(chǎn)生光電子-空穴對，在P-N內(nèi)建電場的作用下，空穴和電子分離，在電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，產(chǎn)生“光生電壓”［5］.若在內(nèi)建電場的兩側(cè)連接電極和負載，這時會產(chǎn)生“光生電流”，這樣太陽能就會轉(zhuǎn)換成供航天器件使用的電能.作為空間飛行器能源的太陽電池在太空環(huán)境運行時不僅受到光輻照，也會受到各種能量的粒子的輻照，會產(chǎn)生大量的空位、填隙原子和復合體等晶格缺陷.這些缺陷起著載流子的復合中心的作用，導致了載流子壽命縮短，其結(jié)果是電池電學性能的退化.

1 太陽電池的輻照損傷效應研究現(xiàn)狀

目前，對太陽電池輻照損傷效應的研究主要集中在電池的宏觀性能演化規(guī)律和輻照損傷的微觀缺陷研究兩個方面.

1.1 入射粒子的性質(zhì)對GaAs太陽電池電學性能的影響

關(guān)于GaInP/GaAs/Ge電池輻照效應以美國海軍試驗室的研究工作最具代表性.其通過光譜響應測試得出在注量為1×1016cm2的1MeV電子輻照下GaAs中間電池光譜響應發(fā)生明顯退化，而GaInP和Ge子電池的光譜響應基本不變［4］.原因是GaAs中間電池的抗輻照能力明顯低于 GaInP 和 Ge 子電池.S.R.Messenger［3］等人對GaInP/GaAs/Ge太陽電池的質(zhì)子輻照效應進行了研究，研究表明，在一定注量下能量＞1 MeV的入射質(zhì)子輻照使最大功率隨質(zhì)子能量的降低而增大.能量＜400 keV的質(zhì)子輻照時最大功率的退化出現(xiàn)異常.原因是不同能量質(zhì)子造成三個子電池不同程度損傷，導致子電池電流失配.胡建民對低能質(zhì)子(＜200 keV)輻照做了較為系統(tǒng)的研究，研究表明，不同能量的質(zhì)子對電池的不同區(qū)域造成的損傷與質(zhì)子能量分布有關(guān)［1］.目前對于多結(jié)太陽電池的輻照損傷效應研究還處于起步階段.

1.2 輻照損傷微觀缺陷

由于多結(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)的復雜性導致其缺陷測量比較困難，目前采用光致發(fā)光或電致發(fā)光光譜法研究了GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池各子電池的輻照效應.發(fā)現(xiàn)1MeV電子輻照前后GaInP子電池光致發(fā)光譜基本不變，而GaAs子電池的光致發(fā)光譜變化明顯，電致發(fā)光的分析結(jié)果與之類似.這說明GaAs中間電池的抗輻照能力明顯低于GaInP和Ge子電池.目前有關(guān)缺陷能級對應的具體缺陷類型的報道較少，大多文獻給出能級位置，濃度和俘獲截面，有關(guān)具體缺陷類型的研究將成為太陽電池的一個熱點.

2 太陽電池在軌性能退化預測

研究太陽電池輻照損傷效應和機理的目的包括兩方面:一是提高太陽電池的抗輻照能力;二是為科學預測太陽電池的在軌行為提供理論指導和實驗數(shù)據(jù).目前預測的主要方法有兩種.

2.1 等效注量法

美國噴氣動力實驗 H.Y.TaDa［6］等人提出的等效注量法是國際上用于預測空間太陽電池在軌服役行為的主要方法.這種方法主要是將不同能量和類型的帶電粒子引起的輻照損傷效應通過相對損傷系數(shù)(RCD)聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)實驗室中的單能垂直入射粒子輻照與空間帶電粒子能譜輻照效應的等效.等效注量法用于GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池目前還處于嘗試和探索階段.該方法的優(yōu)點在于評價體系比較完善，但是評價過程較為繁雜，所需要的試驗數(shù)據(jù)較多，評價成本較高.

2.2 位移損傷劑量法

位移損傷劑量法是美國海軍試驗室創(chuàng)建的.該方法是通過粒子的非電離能量損失(NIEL)將粒子輻照注量轉(zhuǎn)化為位移損傷劑量，獲得太陽電池電學性能隨位移損傷劑量退化的特征曲線.然后，再由空間帶電粒子能譜和NIEL計算太陽電池在軌服役的等效位移損傷劑量，最終實現(xiàn)對太陽電池在軌行為的預測.帶電粒子與物質(zhì)作用的基本形式是電離和位移，總的能量損為這兩部分之和.非電離能損失是指產(chǎn)生電離效應以外的能量損失，幾乎全部用于產(chǎn)生位移效應.

Messenger S R［3］等人通過位移損傷劑量法研究了 GaAs/Ge太陽電池的退化效應，發(fā)現(xiàn)50 keV質(zhì)子輻照下退化曲線偏離了高能質(zhì)子輻照下電學性能隨位移損傷劑量變化的曲線.同樣關(guān)于GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的研究結(jié)果表明，＜150 keV質(zhì)子輻照下三結(jié)太陽電池電學性能的退化曲線與高能質(zhì)子輻照的退化曲線發(fā)生偏離.可見，＜0.1 MeV質(zhì)子主要造成GaInP頂電池損傷，而＞0.15 MeV質(zhì)子主要對GaAs中電池產(chǎn)生損傷.采用位移損傷劑量法預測太陽電池在軌行為操作方便，所需的試驗數(shù)據(jù)較少，近年來得到了廣泛關(guān)注.但是，該方法在使用過程中忽略了低能質(zhì)子的輻照效應.

3 太陽電池的損傷機理模型

目前有關(guān)GaAs太陽電池的短路電流退化模型已經(jīng)建立，該模型基于太陽電池的載流子收集模型和半導體材料的輻照損傷模型而建立的，模型計算分析結(jié)果能夠很好的吻合試驗數(shù)據(jù).根據(jù)P-N結(jié)的能帶模型和帶電粒子輻照的載流子去除模型，現(xiàn)已建立了GaAs/Ge太陽電池空間電荷區(qū)輻照損傷的物理模型與開路電壓退化的數(shù)學模型.模型計算分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好［2］.但目前有關(guān)峰值功率的模型仍處于空白，以及GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的開路電壓和短路電流模型同樣沒有建立.三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)較為復雜，有關(guān)多結(jié)疊層太陽電池的輻照損傷機理模型將成為熱點.

4 結(jié)束語

目前太陽電池的研究主要傾向于多節(jié)疊層電池的研究，包括帶電粒子的輻照效應，微觀損傷機理，深能級缺陷的檢測，以及能級缺陷的具體類型分析和開路電壓和短路電流退化的物理模型建立.另外有關(guān)太陽電池的在軌行為評價體系還不夠完善，有待改進.

［1］ 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.物理學報，2009，58(7):683-688.

［2］ 胡建民，吳宜勇，楊德莊，何世禹.國產(chǎn)GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷效應.核技術(shù)，2010，31(12):1569-1572.

［3］ Messenger S R，Summers G P，Burke E A，et al.Modelling Solar Cell Degradation in Space:A Comparison of the NRL Displacement Damage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approaches.Progress in Photovoltaics:Research and Applications.2001，9(2):105.

［4］ Walter R J，Summers G P.Analysis and Modeling of the Radiation Response of Multijunction Space Solar Cell.Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaics Specialist Conference，2000.1092-1097.

［5］ 劉恩科.光電池及其應用.北京:中國科學出版社，1989.8.

［6］ Tade H Y，Carter J R，Anspaugh B E，et al.Solar Cell Radiation Hand book.Jet propulsion Laboratory，1982，1(1):1-5.