空間太陽電池抗輻照研究

高劍鋒，張 恒

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

空間太陽電池抗輻照研究

高劍鋒，張 恒

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

復雜惡劣的空間環(huán)境會導致太陽電池產(chǎn)生輻照損傷效應(yīng)，影響航天器在軌運行的可靠性和壽命。雖然高效三結(jié)太陽電池已實現(xiàn)空間應(yīng)用，但是隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展，航天器的功率和壽命要求越來越高，對太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和抗輻照能力也提出了更高的要求。介紹了太陽電池在輻照效應(yīng)和損傷機理方面的研究工作，及太陽電池在軌性能退化評估方法，著重分析了多結(jié)疊層太陽電池提升光電轉(zhuǎn)換效率和抗輻照性能的主要技術(shù)途徑和現(xiàn)狀，并對未來空間太陽電池抗輻照研究發(fā)展趨勢進行了展望。

輻照損傷;在軌性能退化;多結(jié)疊層太陽電池;抗輻照性能

作為航天器電源系統(tǒng)的重要組成部分，太陽電池需要更高的轉(zhuǎn)換效率、更高的可靠性和更長的使用壽命。但是，由于航天器在軌飛行期間要經(jīng)歷復雜惡劣的空間環(huán)境，太陽電池暴露于外部空間，必然要遭受宇宙空間射線的作用。一般宇宙空間射線主要包括銀河宇宙射線、太陽宇宙射線和地球輻射帶輻射(范艾倫帶)等[1]。銀河宇宙射線是由太陽系外從銀河系各個方向進入的能量極高的帶電粒子，它是由通量極低、能量極高的帶電粒子組成，其中質(zhì)子約占85%，α粒子約占13%，其余2%主要為元素從鋰到鐵的原子核。太陽宇宙射線是太陽耀斑爆發(fā)期間輻射出大量高能帶電粒子，其主要成分是質(zhì)子，還包含少量的電子、α粒子和少數(shù)電荷數(shù)大于3的重核離子。地球輻射帶又叫范艾倫帶，是地球磁場捕獲宇宙射線中的帶電粒子而形成的一個磁致濃縮區(qū)分布在地球周圍，其中，低能粒子通量比高能粒子通量大很多。在上述空間射線中，由于高能量的粒子一般可以穿透電池，造成均勻損傷，輻射能量越高，電池的損傷越小，所以銀河宇宙射線和太陽宇宙射線對電池造成的影響不大。但是低能粒子往往不可穿透材料，對材料表面結(jié)構(gòu)造成很大損傷，尤其對光電轉(zhuǎn)換器件的性能有著嚴重的影響，將直接影響航天器在軌運行的可靠性和使用壽命，因此含有高通量低能帶電粒子的范艾倫帶成為航天器在軌工作的主要威脅。

目前，針對空間太陽電池的抗輻照要求，國內(nèi)外已開展了大量相關(guān)研究工作，其中以下幾個方面的工作是研究的熱點。一是太陽電池的輻照效應(yīng)和損傷機理研究。由于在實際空間輻照環(huán)境下直接進行在軌性能退化研究較為困難，且成本高，危險性大，因此多是利用地面加速器提供的粒子束對電池開展地面等效輻照效應(yīng)模擬，研究電池的損傷機理。二是優(yōu)化太陽電池在軌性能退化的評價方法。通過地面模擬實驗評估太陽電池在太空服役時電學性能的退化，可以科學有效地預測太陽電池的在軌行為。三是增強太陽電池對粒子輻照的防護，提高太陽電池的抗輻照特性。增強防護是延長電池服役期限的有效方法，目前主要的手段是在太陽電池表面覆蓋防護玻璃，其可以起到屏蔽一部分空間粒子輻照的作用。而通過優(yōu)化太陽電池的結(jié)構(gòu)和提高電池材料晶體質(zhì)量，可使電池的輻照衰降降低。四是研發(fā)更高效率的太陽電池。隨著航天器對供能器件提出更高的要求，需要研發(fā)具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽電池，以提高太陽電池的初始壽命效率。本文將從以上四個方面展開論述太陽電池抗輻照研究的進展。

1 太陽電池的輻照效應(yīng)和損傷機理

空間輻照對半導體材料和器件的損傷主要有兩種方式：一種是電離損傷，即入射粒子使被輻照物質(zhì)的原子產(chǎn)生電離，從而產(chǎn)生帶電中心或電荷；另一種損傷為位移損傷。即高能粒子擊中材料中的原子使其脫離原本所處晶格位置，從而造成晶格損傷缺陷。相對于電離損傷，位移損傷形成的損傷缺陷對太陽電池器件會造成更為嚴重的影響。一是形成復合中心，使半導體材料或器件中的導帶電子和價帶空穴復合，縮短載流子壽命；二是起到補償受主或施主的作用，導致半導體材料變得更加本征化和高補償化；三是作為缺陷散射中心，降低載流子的遷移率，造成器件性能的退化。

在空間輻射環(huán)境中，對太陽電池產(chǎn)生位移損傷的主要輻射來源是電子和質(zhì)子，其能量從幾電子伏特到幾百兆電子伏特，且根據(jù)航天器所處軌道不同，帶電粒子通量也有所差異。在太陽電池中，位移損傷缺陷起復合中心的作用，其濃度NT與粒子的輻照注量φ成正比[2]：

式中：K0為平均每個粒子在單位路徑上產(chǎn)生的復合中心數(shù)，其數(shù)值取決于輻照粒子的性質(zhì)和能量。由于輻照產(chǎn)生了新的復合中心，因而少子的壽命將發(fā)生改變，少子壽命與輻照注量有如下關(guān)系：

式中：τ和τ0分別表示輻照前后少子壽命；K為壽命損傷系數(shù)?？梢?/τ與復合中心濃度NT成正比。

式中：L為少子擴散長度；L0為無缺陷III-V材料的擴散長度；KL為與材料相關(guān)的輻照損傷系數(shù)，其數(shù)值大小可以反應(yīng)材料的抗輻照性能。由于電池中的位錯也會作為光生載流子的復合中心，會對電池的性能產(chǎn)生影響，因而若考慮電池材料中存在的位錯密度，式(3)應(yīng)修正為：

式中：Ndis為電池材料中的位錯密度。

對于一定波長的入射光，光電池的短路電流與少子擴散長度成正比，即[4]：

而反向飽和電流與少子壽命的關(guān)系為：

開路電壓的關(guān)系式為：

最大功率的關(guān)系式為：

因此，從公式(1)～(3)可見，輻照在太陽電池材料中產(chǎn)生的位移損傷缺陷作為復合中心，會降低光生少數(shù)載流子壽命。少子壽命降低導致其擴散長度縮短，從而造成部分少子來不及擴散到空間電荷區(qū)被內(nèi)建電場分離就發(fā)生復合，致使少子收集效率降低并使電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降。而輻照產(chǎn)生的微觀損傷最終會導致太陽電池電學性能下降，從公式(5)～(8)可見輻照使太陽電池中的反向飽和電流增大，相應(yīng)的電池短路電流、開路電壓和最大輸出功率發(fā)生衰降。

2 太陽電池在軌性能退化的評價方法

通過地面模擬實驗可以為科學有效地預測太陽電池在軌行為提供試驗數(shù)據(jù)。目前主要的預測方法為等效注量法和位移損傷法。

等效注量法是目前國際上預測太陽電池在軌行為的主要方法。由于在實際空間環(huán)境中，帶電粒子的能量是連續(xù)分布的，但在地面模擬實驗中不可能同時模擬所有能量的帶電粒子譜，一般只能模擬一種能量的粒子輻照。等效注量法就是將不同能量和不同類型的帶電粒子引起的輻照損傷效應(yīng)通過相對損傷系數(shù)聯(lián)系起來，進而實現(xiàn)實驗室中的單能粒子輻照與空間帶電粒子能譜效應(yīng)的等效[5]。輻照損傷效應(yīng)的等效性是基于太陽電池的電學性能與輻照注量的關(guān)系加以表征。先通過實驗給出不同類型和不同能量帶電粒子輻照下太陽電池的電性能退化到某一水平時的臨界注量，并計算不同能量帶電粒子相對于1 MeV電子或10 MeV質(zhì)子的臨界注量之比來計算相對損傷系數(shù)，然后根據(jù)軌道環(huán)境參數(shù)計算空間帶電粒子能譜，結(jié)合相對損傷系數(shù)得到空間帶電粒子等效為1 MeV電子(或10 MeV質(zhì)子)的等效注量，最后根據(jù)等效注量和1 MeV電子(或10 MeV質(zhì)子)輻照下電池電學性能退化給出電池在軌行為預測結(jié)果。通過此方法，可以建立一個不同能量電子、質(zhì)子與1 MeV電子(或10 MeV質(zhì)子)之間輻射損傷等效關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，用于對空間連續(xù)能譜中太陽電池輻射損傷進行分析和評估。在實際工程應(yīng)用中，等效注量法已成為預測空間GaAs單結(jié)太陽電池在軌行為的通用方法，但隨著高效多結(jié)疊層太陽電池進入航天應(yīng)用領(lǐng)域，該方法也可以用于多結(jié)太陽電池在軌行為的預測研究。P.R.Sharp等人[6-7]研究了GaAs單結(jié)、GaInP/GaAs雙結(jié)和GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的輻照效應(yīng)，得到了10 MeV質(zhì)子等效為1 MeV電子的轉(zhuǎn)化因子，如表1所示，可見不同結(jié)構(gòu)的太陽電池其轉(zhuǎn)化因子差異較大。

表1 單結(jié)、雙結(jié)和三結(jié)太陽電池的10 MeV質(zhì)子等效為1 MeV電子輻照的轉(zhuǎn)化因子列表

位移損傷法是基于非電離能量損失創(chuàng)建的太陽電池輻射損傷評估方法。該方法首先對不同能量粒子在太陽電池材料中的非電離能損失進行計算，獲得不同能量粒子在電池材料中的非電離能損傷等效系數(shù)，通過粒子的非電離能量損失將粒子輻照注量轉(zhuǎn)換為位移損傷計量，獲得太陽電池電性能隨位移損傷劑量退化的特征曲線，最后再由空間帶電粒子能譜和非電離能損失計算太陽電池在軌服役的等效位移損傷劑量，實現(xiàn)對太陽電池在軌行為預測。M.Yamaguchi等人采用位移損傷法研究了GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池質(zhì)子輻照下電性能退化特性[8]，如圖1所示為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池開路電壓Voc的退化曲線，可見小于0.1 MeV質(zhì)子主要會造成GaInP子電池損傷，而大于0.15 MeV質(zhì)子主要對損傷GaAs子電池。

圖1 質(zhì)子輻照下GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的開路電壓Voc與質(zhì)子能量的關(guān)系[8]

3 提高太陽電池的抗輻照能力

針對太陽電池的輻照損傷問題，采用在電池表面加裝玻璃蓋片，用增加蓋片厚度的方法可以達到有效防護的目的。但增加防護蓋片的厚度不僅會增加衛(wèi)星質(zhì)量，還會降低運載火箭的有效載荷。此外，盡管加裝防護蓋片在一定程度上屏蔽了大量的低能粒子，起到了一定的防護效果，但是對于MeV量級的高能粒子來說，其強大的穿透能力仍會對太陽電池造成輻照損傷效應(yīng)。因此對太陽電池本身的結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量進行優(yōu)化，提高太陽電池的抗輻照性能是十分重要的。

由于輻照會使得電池產(chǎn)生的光生載流子擴散長度減小，降低光生載流子的收集效率，因而在一定程度上減薄子電池厚度，從而減小光生載流子在到達空間電荷區(qū)前的擴散過程中的復合是提高電池抗輻照性能的有效方法。這一點也可以在電池非輻射復合電流密度JSRH的分析中得到驗證，在半解析模型中，少數(shù)載流子壽命與非輻射復合電流密度JSRH存在以下關(guān)系[9]：

式中：d為子電池吸收區(qū)(基區(qū)和發(fā)射區(qū))的厚度。從式中可以看出減小電池吸收區(qū)厚度d可以使非輻射復合電流密度JSRH降低，從而減小輻照缺陷造成的電池效率衰降。但是子電池吸收區(qū)厚度的減薄勢必會導致電池對光子的吸收能力降低，因而子電池基區(qū)和發(fā)射區(qū)的厚度需要進一步優(yōu)化。

在多結(jié)疊層太陽電池中，各子電池具有不同的輻照衰降，為了追求太陽電池在服役壽命末期取得盡量大的輸出功率，因而在壽命末期時各子電池的電流一致是子電池性能匹配的最終目標。以目前廣泛應(yīng)用的GaInP/Ga(In)As/Ge三結(jié)太陽電池為例，Ga(In)As中間電池的輻照衰降要大于GaInP頂電池，是限制電池抗輻照性能的短板。因此在設(shè)計電池結(jié)構(gòu)時需要有意讓Ga(In)As中間電池的初始電流略高于GaInP頂電池。另外，為了降低Ga(In)As子電池的輻照衰降，可以減薄Ga(In)As子電池的厚度，并在外延生長過程中在其背場層上制備分布布拉格反射器(DBR)，以解決減薄吸收層厚度帶來的子電池光子吸收能力下降的問題。通過上述優(yōu)化，Azur報道初期壽命為29.5%的3G30三結(jié)太陽電池經(jīng)能量為1 MeV，通量1×1015/cm2的電子輻照后末期壽命26.8%，衰降僅為9.2%[10]。

對于反向外延生長的多結(jié)疊層太陽電池 (Inverted metamorphic multijunction，IMM)，由于其需要采用金屬鍵合的方式將外延層轉(zhuǎn)移至支撐襯底上，因此可以在帶隙最小的底電池的背場層上制備一層Au金屬層，它不僅作為鍵合的接觸層，也可以起到反射光子的作用[11]。以GaInP(1.9 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(1.0 eV)/InGaAs(0.69 eV)反向四結(jié)電池為例，一方面，InGaAs與GaAs襯底存在晶格失配，使得InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.69 eV)子電池中產(chǎn)生較多的位錯，惡化的晶體質(zhì)量使得該兩結(jié)子電池的少子擴散長度進一步降低[見公式(4)]；另一方面，在InGaAs材料體系中，隨著InGaAs材料中In組分的增加，輻照損傷系數(shù)KL逐漸增大，這說明輻照后的電池中，InGaAs(0.69 eV)子電池的少子擴散長度減小程度最大，也是輻照衰降最嚴重的一個子電池。通過在InGaAs(0.69 eV)子電池的背場層上制備一層Au金屬反射層，可以反射透過子電池pn結(jié)的光子，從而被該結(jié)子電池重吸收。若考慮InGaAs(0.69 eV)子電池中存在5×106cm－2的位錯密度，通過漂移擴散模型模擬反向四結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率，可以發(fā)現(xiàn)若沒有Au金屬層的背反射作用，在AM0光譜照射下獲得36.5%的最大光電轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)的InGaAs(0.69 eV)子電池的最薄基區(qū)和發(fā)射區(qū)厚度分別為2和0.5 μm；而存在Au金屬層的情況下，相同最大光電轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)的InGaAs(0.69 eV)子電池的最薄的基區(qū)和發(fā)射區(qū)厚度分別為0.3和0.5 μm[12]。因此對于InGaAs(0.69 eV)子電池來說，由于Au金屬層的背反射作用，可以制備薄基區(qū)和發(fā)射區(qū)提高其抗輻照性能。

4 更高效率的太陽電池研發(fā)

為了追求太陽電池更長的在軌應(yīng)用周期，且在壽命末期的輸出功率滿足航天器的使用要求，還需要研發(fā)更高轉(zhuǎn)換效率的太陽電池，提高太陽電池的初始壽命效率。目前，成熟應(yīng)用于空間飛行器太陽電池陣的太陽電池是GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池，其AM0光譜下的光電轉(zhuǎn)換效率已達到30%，但受制于晶格匹配的限制，GaInP頂電池、GaAs中間電池和Ge底電池的電流并不匹配，使得進一步增加其效率變得更加困難。為了獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，帶隙匹配成為設(shè)計多結(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)時需要考慮的主要因素。在三結(jié)太陽電池中，要達到帶隙匹配的目的需要減少GaInP和InGaAs材料的帶隙寬度，來增加頂電池和中間電池的光譜響應(yīng)范圍，從而增加它們的短路電流并削減Ge底電池過剩的短路電流。但帶隙匹配是以晶格失配為代價，繼而會帶來高密度失配位錯，表面形貌粗糙，外延片彎曲的問題。為了克服這些問題，漸變緩沖層被引入晶格失配太陽電池結(jié)構(gòu)中，通過采用晶格常數(shù)漸變的多層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)晶格弛豫，有效地減小了晶格失配對電池器件性能的影響。2009年，Wolfgang Guter等人采用 Ga0.35In0.65P(1.69 eV)/Ga0.83In0.17As(1.18 eV)/Ge(0.67 eV)結(jié)構(gòu)的晶格失配三結(jié)太陽電池，在AM1.5，454倍聚光條件下，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率41.1%[13]。

兼顧襯底重復利用和可柔性化等優(yōu)點，反向生長晶格失配(IMM)太陽電池成為制備多結(jié)疊層太陽電池的另一條途徑。該技術(shù)的外延生長方向與電池結(jié)構(gòu)相反，即先生長與襯底晶格匹配的頂電池和中間電池，然后生長漸變緩沖層調(diào)制晶格常數(shù)，最后生長底電池，外延后還需要進行鍵合和襯底剝離工藝，再進行電池器件工藝制備。日本Sharp公司目前保持著IMM三結(jié)太陽電池的世界紀錄，其制備的GaInP(1.88 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(0.98 eV)結(jié)構(gòu)的IMM三結(jié)太陽電池在AM1.5，302倍聚光下的效率達到44.4%[14]。

進一步的效率提高需要改善電池帶隙分布與太陽光譜之間的匹配以減少開路電壓和熱載流子損耗。在高于三結(jié)的結(jié)構(gòu)中，生長晶格失配結(jié)構(gòu)較為困難，其涉及多次晶格常數(shù)漸變，不利于獲得高晶體質(zhì)量的外延材料。半導體鍵合技術(shù)的出現(xiàn)克服了晶格失配的缺點，且其帶隙選擇的范圍廣，容易實現(xiàn)最優(yōu)化的帶隙組合。2013年，美國Spectrolab公司公布了鍵和五結(jié)電池AlGaInP(2.2 eV)/AlGaAs(1.7 eV)/GaAs(1.4 eV)/GaInAsP(1.05 eV)/GaInAs(0.73 eV)，其中上面三結(jié)子電池倒置生長在GaAs襯底上，下面兩結(jié)子電池正置生長在InP襯底上，各子電池與其生長襯底都是晶格匹配的，然后通過半導體鍵合連接在一起，然后除去GaAs襯底，該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)各子電池最優(yōu)的帶隙組合，又保證了晶體材料的高質(zhì)量生長，最終獲得在AM0光譜下35.8%和AM1.5光譜下38.8%的光電轉(zhuǎn)換效率，是目前非聚光條件下的最高效率[15]。在聚光條件下，多結(jié)太陽電池的最高效率則由德國Fraunhofer ISE和法國Soitec公司在2014年研發(fā)的GaInP/GaAs//GaAsP/GaInAs(帶隙分布為1.88/1.44//1.11/0.70 eV)鍵合四結(jié)太陽電池獲得，為46%(AM1.5，508 倍聚光條件)[16]。

5 結(jié)語

復雜惡劣的空間環(huán)境會導致太陽電池產(chǎn)生輻照損傷效應(yīng)，影響航天器在軌運行的可靠性和在軌壽命。針對于此，國內(nèi)外研究單位一方面開展太陽電池的輻照效應(yīng)研究，深入理解太陽電池的損傷機理，并在地面模擬評估太陽電池在太空工作時電學性能的退化，科學有效地預測太陽電池的在軌行為。另一方面，盡管目前轉(zhuǎn)換效率達30%的三結(jié)太陽電池已實現(xiàn)空間應(yīng)用，但是隨著航天器的功率和壽命要求越來越高，對太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和抗輻照能力也提出了更高的要求，這需要不斷研發(fā)新型太陽電池技術(shù)，改進電池結(jié)構(gòu)和制造工藝，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，并增強太陽電池的抗輻照性能。

因此采用晶格失配生長，反相外延生長和半導體鍵合等技術(shù)制備的四結(jié)和五結(jié)疊層太陽電池已實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的提升，但是相對于晶格匹配太陽電池，這些新結(jié)構(gòu)高效多結(jié)太陽電池的抗輻照性能還有待提高。此外，針對多結(jié)疊層太陽電池的輻照效應(yīng)和損傷機理的研究還處于起步階段，而對其進行空間環(huán)境的地面模擬實驗，預測其在軌行為的相關(guān)研究也少見報道。這些研究工作將是未來空間太陽電池抗輻照研究的主要研究方向。

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Anti-irradiation research of space solar cells

GAO Jian-feng,ZHANG Heng
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The harsh space environment will result in the irradiation damage of the solar cells,and affect the reliability and service lifetime of the spacecraft in orbit.Although high-efficient tandem solar cells have been used in space,with the development of space science and technology,requirements for improving the conversion efficiency and the anti-irradiation performance of solar cell have been proposed due to the higher demands of power and life of spacecraft.In this paper,the research of irradiation effect and irradiation-induced damage mechanism of space solar cell and the methods of evaluating performance in orbit for space solar cell were reviewed.Besides,solutions which could improve the conversion efficiency and the anti-irradiation performance of solar cell were discussed.Finally,the future direction was prospected on the basis of the overview of the development status of research of space solar cell.

irradiation damage;degradation of solar cell in orbit;multi-junction solar cells;anti-irradiation performance

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1100-04

2017-02-15

高劍鋒(1977—)，男，河南省人，高級工程師，主要研究方向為太陽電池。