空間GaAs/Ge太陽電池電學性能的數(shù)值模擬*

鄧道平,胡建民

(哈爾濱師范大學)

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空間GaAs/Ge太陽電池電學性能的數(shù)值模擬*

鄧道平,胡建民**

(哈爾濱師范大學)

使用太陽電池模擬程序AFORS-HET擬合空間GaAs/Ge太陽電池的電學參數(shù)，以期為進一步研究空間太陽電池的輻照損傷效應(yīng)開辟新途徑.根據(jù)GaAs/Ge太陽電池的基本參數(shù)建立太陽電池基本模型，對照程序文件格式要求制作空間AM0標準太陽光譜和GaAs材料的吸收系數(shù)文件.數(shù)值模擬結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合，AFORS-HET程序能夠很好地表征空間GaAs/Ge太陽電池內(nèi)部載流子輸運的基本性質(zhì).

GaAs太陽電池；AFORS-HET程序；數(shù)值模擬

0 引言

空間GaAs太陽電池憑借其優(yōu)良的電學性能和抗輻射能力逐步成為航天領(lǐng)域的主電源.關(guān)于空間太陽電池的輻照損傷效應(yīng)科技工作者做了大量的研究工作，相關(guān)研究結(jié)果為揭示空間太陽電池的輻照損傷機理及科學評價其在軌服役行為提供了實驗依據(jù)和理論指導[1].然而，研究表明太陽電池內(nèi)部載流子的輸運性質(zhì)是決定電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素[2]，而僅僅依靠實驗手段分析太陽電池載流子的輸運性質(zhì)還存在諸多困難.為此，關(guān)于太陽電池的計算機模擬程序應(yīng)運而生并得到廣泛應(yīng)用.太陽電池模擬程序能夠直觀呈現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)、材料組成與其電學性能之間的關(guān)系，在優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計參數(shù)，提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率、降低電池研發(fā)成本方面起到重要作用.

PC1D程序[3]由澳大利亞悉尼新南威爾士大學光伏研究中心研發(fā)，通過建立較為完整的半導體器件模型基于求解完全耦合的非線性方程實現(xiàn)對半導體器件中載流子準一維傳輸過程的模擬.PC1D程序于1985年首發(fā)，能夠及時應(yīng)用半導體基礎(chǔ)理論研究的新成果不斷完善，目前已更新至PC1D5.9版本.PC1D程序的特色是提供絨面太陽電池模型和兩個完全獨立的光源，不僅可以計算器件的能帶、載流子復合率與產(chǎn)生率、載流子濃度和電流密度分布，同時還能夠直接給出器件的I-V曲線、內(nèi)外量子效率和少子擴散長度等性能參數(shù).PC1D程序在分析空間太陽電池輻照損傷效應(yīng)方面發(fā)揮了重要作用.胡建民等人[4]使用PC1D程序得到不同能量的電子和質(zhì)子輻照下GaAs/Ge太陽電池少子擴散長度和多子濃度隨入射粒子能量和注量變化的基本規(guī)律.

隨著太陽電池基礎(chǔ)理論研究的不斷深入和計算機程序研發(fā)能力的不斷增強，根據(jù)不同類型電池模擬的需要相繼出現(xiàn)多種太陽電池模擬程序.1996年，比利時根特大學針對CuInSe2和GdTe薄膜電池研發(fā)SCAPS-1D模擬程序[5].1997年美國賓州大學針對梯度電池和多結(jié)太陽電池研發(fā)發(fā)布AMPS-1D模擬程序[6].2003年，AFORS-HET(Automat FOR Simulation of HETerostructures)程序由德國柏林亥姆霍茲材料與能源中心研發(fā)成功，主要是基于光生載流子的輸運機制用于同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)光伏器件模擬[7,8].AFORS-HET允許用戶以任意順序排列半導體層進行建模，并分別設(shè)定每層材料的參數(shù)和界面性質(zhì)，程序除能夠計算I-V特性、內(nèi)外量子效率等常規(guī)性能外，還可以給出器件的阻抗、表面光電壓、電子束感應(yīng)電流、電檢測磁共振、光致發(fā)光和電致發(fā)光等多達20種測量分析結(jié)果.可見，AFORS-HET程序的模擬計算功能更加強大豐富.該文以空間GaAs/Ge太陽電池為研究對象，使用AFORS-HET太陽電池模擬程序擬合太陽電池的I-V特性和量子效率，研究結(jié)果可為進一步揭示空間GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷機理提供直接有效的分析方法.

1 試驗方法和軟件模擬參數(shù)設(shè)定

該文以單結(jié)GaAs/Ge太陽電池為研究對象，采用金屬有機氣相沉積法制備，面積為 2 cm × 1.4 cm，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示．

使用美國Spectrolab spectrosun solar simulatomodel X25 Mark Ⅱ型標準太陽模擬器提供AM0(輻照功率為1367 Wm-2)太陽光譜輻照條件，在25℃的環(huán)境溫度下參照太陽電池國際測試標[9]測試電池的I-V特性；使用俄羅斯物理技術(shù)研究所研制的量子效率測試儀測量340～960 nm波段范圍內(nèi)太陽電池的相對光譜響應(yīng).

圖1 空間GaAs/Ge太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

使用Afors-het程序需要進行單結(jié)GaAs/Ge太陽電池結(jié)構(gòu)和材料性能參數(shù)設(shè)定，該文根據(jù)材料的理論值取電子親和勢為4.07 eV，禁帶寬度為1.42 eV，導帶和價帶的狀態(tài)密度分別為4.7×1017cm-3和7×1018cm-3，電子和空穴遷移率分別為8×103cm2·V-1·s-1和4×102cm2·V-1·s-1.各個活性層的厚度、摻雜濃度、串并聯(lián)電阻和載流子壽命等相關(guān)參數(shù)值列于表1中.

表1 Afors-het程序模擬設(shè)定的相關(guān)參數(shù)

2 AFORS-HET程序擬合結(jié)果與討論

AFORS-HET程序僅有AM1.5太陽光譜文件，為滿足空間光照條件該文根據(jù)程序文件格式要求制作了AM0太陽光譜文件.取標準太陽光譜數(shù)據(jù)[10]制作光譜曲線與程序自帶的AM1.5太陽光譜曲線進行對比發(fā)現(xiàn)，程序文件中AM1.5太陽光譜曲線與標準太陽光譜AM15G數(shù)據(jù)完全符合，說明AFORS-HET程序需要的AM0太陽光譜文件可以通過對標準太陽光譜數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換獲得，如圖2所示.此外，使用GaAs材料光學吸收系數(shù)數(shù)據(jù)參照AFORS-HET程序?qū)Σ牧瞎鈱W性質(zhì)文件格式要求制作GaAs材料的吸收系數(shù)文件.GaAs材料的光學吸收系數(shù)曲線如圖3所示.

圖2 標準太陽能光譜

圖3 GaAs材料的光學吸收系數(shù)曲線

該文依據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立GaAs/Ge太陽電池模型，再根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)設(shè)定模擬參數(shù)，使用AFORS-HET程序計算得到電池量子效率和I-V特性曲線.圖4(a)和(b)分別是GaAs/Ge太陽電池量子效率和I-V特性的程序模擬曲線及與實驗數(shù)據(jù)的對比.如圖可見，程序模擬結(jié)果和實驗結(jié)果符合，這說明AFORS-HET程序能夠深入細致地表征空間GaAs/Ge太陽電池內(nèi)部載流子的輸運過程.

(a)

(b)圖4 GaAs/Ge太陽電池(a)量子效率和(b)I-V特性的AFORS-HET程序擬合曲線與實驗數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)束語

該文參照空間GaAs/Ge太陽電池的實驗參數(shù)和理論數(shù)據(jù)建立電池的基本模型，根據(jù)標準太陽光譜數(shù)據(jù)和GaAs材料光學吸收系數(shù)數(shù)據(jù)分別制作了滿足AFORS-HET程序格式要求的AM0標準太陽光譜文件和GaAs材料吸收系數(shù)文件.使用AFORS-HET程序模擬空間GaAs/Ge太陽電池的量子效率和I-V特性.研究結(jié)果表明，AFORS-HET程序能夠成為分析空間帶電粒子輻照下GaAs/Ge太陽電池內(nèi)部載流子輸運過程提供有效手段，對于揭示空間太陽電池的輻照損傷機理具有重要意義.

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[10] ASTM Standard G173-03, Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37° Tilted Surface, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA. http://www.astm.org.The Numerical Simulation of the Electrical Properties of Space GaAs/Ge Solar Cells

(責任編輯：李家云)

Deng Daoping, Hu Jianmin

(Harbin Normal University)

In this paper, the electrical parameters of space GaAs/Ge solar cells is fitted by using solar cell simulation program AFORS-HET in order to further study irradiation damage effects of space solar cells. The basic model of the solar cells is established by the basic parameters of GaAs/Ge solar cells. The space AM0 standard solar spectrum and the absorption coefficient of GaAs material are made by contrast the program file format requirements. The simulation results showed that the simulation results were coincidence with the experimental data. The AFORS-HET program can be a good characterization of the internal the carriers’ transport basic properties of space GaAs/Ge solar cells.

GaAs solar cells; AFORS-HET program; Numerical simulation

2016-01-31

*黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2013010361)、國家自然科學基金項目(批準號：11075043)和黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目資助(12541233)

**通訊作者:hujianmin@foxmail.com

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1000-5617(2016)02-0085-03