GaAs太陽電池空間輻射損傷衰減評(píng)估方法淺析

劉東寬　方美華　趙鵬飛　周丹晴　周策　王麗　李彥龍

摘 要：GaAs太陽電池是目前大部分航天器的主要?jiǎng)恿碓矗虼擞斜匾獙?duì)其在空間輻射環(huán)境條件下的性能衰減進(jìn)行評(píng)估，以優(yōu)化電池的輻射防護(hù)措施，保證電池在空間應(yīng)用的高可靠和長壽命的要求。本文在GaAs太陽電池輻射損傷原理的基礎(chǔ)上，分別研究了等效注量衰減、非電離能損衰減和缺陷損傷三種評(píng)估方法的物理機(jī)制、建模思路和模型，并對(duì)三種方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：GaAs太陽電池 輻射損傷 性能衰減評(píng)估

中圖分類號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0016-04

Abstract：GaAs solar cells are main power source for most of the spacecrafts. However， solar cells will suffer damage from space radiation and their performance degrades over time. So it is essential to assess the degradation for GaAs solar cells in space missions. In this paper， firstly three degradation methods including equivalent flux method， non-ionization energy loss method and defect model method for GaAs solar cells are analyzed. And then， the advantage and disadvantage of the methods are summarized.

Key Words：GaAs solar cells； Radiation damage； Degradation methods

GaAs太陽電池是目前空間應(yīng)用最為廣泛的一種太陽電池，具有光電轉(zhuǎn)化效率高、抗輻射性能好、溫度效應(yīng)好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。是航天器在軌正常運(yùn)行的能源保證，而空間惡劣的粒子輻射環(huán)境會(huì)導(dǎo)致太陽電池電性能衰降，影響航天任務(wù)的順利完成。由于太空實(shí)驗(yàn)具有操作難，成本高等特點(diǎn)，對(duì)空間GaAs太陽電池的地面評(píng)估實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要。研究人員結(jié)合太陽電池衰減的特性和原理，建立了衰減評(píng)估方法，從而有效地對(duì)航天器的壽命進(jìn)行評(píng)估，對(duì)現(xiàn)今航天器的在軌行為預(yù)測(cè)具有重要意義。

1 衰減原理和評(píng)估方法

1.1 GaAs太陽電池衰減原理及衰減表征

國內(nèi)外研究人員針對(duì)GaAs太陽電池空間輻射條件下性能的衰減[1-3]開展了大量的研究，以地面等效實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算機(jī)模擬[4、5]為主，入射粒子多以1MeV能量的電子[6]和10MeV能量的質(zhì)子[7]作為等效粒子源，從而研究在不同輻照注量條件下，電池性能的退化。太陽能電池本質(zhì)上是由半導(dǎo)體材料制作的P-N結(jié)，宇宙空間中的高能帶電粒子進(jìn)入太陽電池材料內(nèi)部后，與材料內(nèi)部的原子相互作用將能量傳遞給晶格原子，使電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的空位原子和間隙原子等缺陷（形成所謂的Frenkel缺陷）。這些缺陷在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間形成新的缺陷能級(jí)，深能級(jí)的缺陷可以作為復(fù)合中心，致使太陽能電池中的少數(shù)載流子壽命降低，擴(kuò)散長度減少，光電轉(zhuǎn)換效率降低，從而導(dǎo)致宏觀性能參數(shù)包括短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax、填充因子FF[6-8]和微觀材料參數(shù)包括深能級(jí)、缺陷密度[9、10]等的衰降，最終導(dǎo)致電池性能下降，影響航天器的正常運(yùn)行。

1.2 GaAs太陽電池衰減評(píng)估方法

研究人員針對(duì)GaAs太陽電池半導(dǎo)體P-N結(jié)的特點(diǎn)，從評(píng)估方法所關(guān)聯(lián)的參數(shù)和相關(guān)物理模型出發(fā)，分類出目前主要的衰減評(píng)估模型，包括等效注量評(píng)估方法[4、8]、非電離能損（位移損傷）評(píng)估方法[4、11]和缺陷損傷評(píng)估方法[12]三種。

（1）等效注量評(píng)估方法。

等效注量衰減分析法是由美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL-Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology）H.Y.Tada等人提出的，是國際上用于預(yù)測(cè)空間太陽電池在軌服役行為的主要方法。等效注量評(píng)估方法在工程應(yīng)用上較為普遍和成功，是將入射粒子的注量與電池的電性能參數(shù)短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax通過如下關(guān)系模型直接關(guān)聯(lián)：

（1）

其中Φ為輻射注量，X0和X分別表示輻照前后表征電池性能的參數(shù)；C和Φ0為兩個(gè)擬合參數(shù)，其中C是無量綱參數(shù)，能夠反映電池電學(xué)性能退化的快慢程度；Φ0代表臨界注量（單位：個(gè)數(shù)/cm2），當(dāng)太陽電池輻射注量小于該擬合值Φ0時(shí)，電池性能受輻射注量的影響不大；大于該值時(shí)，輻射注量對(duì)電性能有明顯的影響。

（2）非電離能損（位移能損）評(píng)估方法。

位移損傷劑量法提出于20世紀(jì)90年代，由于電離和位移是帶電粒子和物質(zhì)作用的兩種基本形式，產(chǎn)生的能量損失為電離能量損失和位移能量損失之和。其中單個(gè)粒子在材料中沉積下來用于產(chǎn)生位移缺陷的那部分能量稱非電離能量損失（Nonionizing Energy Loss，NIEL）。位移損傷效應(yīng)一般也稱為非電離能量損失效應(yīng)，是由大量粒子進(jìn)入半導(dǎo)體器件內(nèi)部通過彈性碰撞作用，導(dǎo)致材料晶格原子移位，其損傷的動(dòng)力學(xué)方程與注量衰減方程形式即方程（1）一致，可表示為：

根據(jù)太陽電池輻射條件下的衰減物理原理可知，太陽電池的衰減源于輻射在電池內(nèi)產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致在電池禁帶內(nèi)產(chǎn)生深能級(jí)，這些深能級(jí)可作為俘獲中心，俘獲多數(shù)載流子，降低少數(shù)載流子壽命，從而導(dǎo)致電池各項(xiàng)性能的衰減[13]。

①深能級(jí)缺陷降低少數(shù)載流子壽命。endprint

外在輻射條件下，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，影響Shockley-Read-Hall復(fù)合項(xiàng)：

深能級(jí)缺陷通過降低少數(shù)載流子的壽命導(dǎo)致電池的Isc、Voc、Pmax和FF等電性能參數(shù)都有顯著衰減[12]。

②深能級(jí)俘獲多數(shù)載流子。

輻射導(dǎo)致的深能級(jí)缺陷能夠俘獲多數(shù)載流子，導(dǎo)致多數(shù)載流子的濃度下降，即產(chǎn)生輻射導(dǎo)致多數(shù)載流子的去除效應(yīng)[14]。多數(shù)載流子去除與少數(shù)載流子壽命下降類似，都與缺陷濃度和俘獲截面有關(guān)，表達(dá)式為：

其中NA和ND為多數(shù)載流子濃度，ni為本征載流子濃度。從式（9）中可以看出，多數(shù)載流子濃度決定了內(nèi)建電場(chǎng)的大小和分布。從太陽電池的光生伏特效應(yīng)原理出發(fā)，太陽光在電池中產(chǎn)生的載流子通過P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)分離，因此，內(nèi)建電場(chǎng)變化后導(dǎo)致開路電壓的明顯變化[15]。

③輻射導(dǎo)致的深能級(jí)缺陷。

半導(dǎo)體材料中的深能級(jí)缺陷主要由深能級(jí)瞬態(tài)譜儀探測(cè)得到，并與入射粒子種類、溫度條件、材料等有關(guān)[16-17]。在電子和質(zhì)子輻照過程產(chǎn)生的各種缺陷中，能作為俘獲中心的缺陷類型有限[16]。俘獲截面是一個(gè)只與缺陷類型有關(guān)的量，而與入射粒子的通量無關(guān)，1MeV電子在GaAs中所產(chǎn)生的電子和空穴不同陷阱的俘獲截面如表1所示[16-19]，主要包括電子E1～E4和空穴H1～H4。

根據(jù)以上的物理模型和數(shù)據(jù)，借助物理設(shè)計(jì)軟件，如TCAD[12]、COMSOL[20]、SILVACO? Virtual Wafer Fabrication Software[18-19]等，研究工作者已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作，獲得了太陽電池在輻照條件下的電性能輸出。

1.3 不同分析方法對(duì)比淺析

根據(jù)太陽電池的損傷原理，可將2.2節(jié)所述的評(píng)估方法對(duì)比如圖1所示。從圖中可以看出三種評(píng)估方法的思路。

等效注量方法在工程上應(yīng)用最為廣泛，由于大部分的衛(wèi)星任務(wù)都位于地球軌道，受到地磁場(chǎng)捕獲輻射帶粒子輻照，研究表明，在地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星太陽電池在空間運(yùn)行保證可靠性的等效地面實(shí)驗(yàn)條件是1MeV電子照射1015/cm2衰減<20%。而實(shí)際上，空間輻射環(huán)境不僅有電子環(huán)境、還有質(zhì)子以及深空中的太陽粒子和宇宙線粒子，且都具有特定的能譜范圍、入射方向等，因此不同的粒子很難從入射粒子注量角度進(jìn)行等效；且不同材料和結(jié)構(gòu)的相對(duì)損傷系數(shù)不同，因此，對(duì)于每種太陽電池而言都需要大量的實(shí)驗(yàn)作為支撐，耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力；并且在很高的注量下，由于GaAs電池本身的退火效應(yīng)等而影響等效注量法的適用性。因此，等效注量方法的適應(yīng)性受到粒子環(huán)境和材料結(jié)構(gòu)的限制。

非電離能損方法將電池衰減與物理量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即通過由輻照粒子在材料中產(chǎn)生的非電離能損值的大小來衡量電性能的衰減，原則上，通過非電離能損值將不同粒子對(duì)電池造成的損傷進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可適用于復(fù)雜的輻射環(huán)境條件，從而大大減少了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求。非電離能損值一般是通過粒子與物質(zhì)相互作用計(jì)算模型計(jì)算得到，通過非電離能損值的計(jì)算，還可以評(píng)估電池不同結(jié)構(gòu)和材料的輻射損傷敏感性。因此，相比等效注量法，該方法具有一定的物理意義，適用性更強(qiáng)。這種方法依賴于輻射導(dǎo)致材料晶格缺陷與非電離能損值成正相關(guān)的情況，若粒子本身對(duì)材料產(chǎn)生了摻雜或者引入了雜質(zhì)粒子等情況，則無法預(yù)計(jì)。

注量衰減分析和非電離能損衰減分析方法均為宏觀的半經(jīng)驗(yàn)分析方法，在工程上應(yīng)用已較為普遍和成熟，模型的建立欠缺物理機(jī)理的內(nèi)涵，而根據(jù)太陽電池輻射損傷的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，缺陷深能級(jí)的產(chǎn)生是電池衰減的根本原因。這種方法強(qiáng)烈依賴于輻射所產(chǎn)生的深能級(jí)種類、數(shù)量、分布等，而深能級(jí)的特性與輻射粒子能量、種類、通量，與電池的材料、結(jié)構(gòu)、溫度條件等都相關(guān)，因此雖然這種方法具備研究的物理意義和內(nèi)涵，但是模型所需要的輸入微觀參數(shù)多且可變性強(qiáng)，目前更適合于理論研究。

2 結(jié)語

本文以空間GaAs太陽電池為研究對(duì)象，分析了三種衰減評(píng)估方法的物理機(jī)理和機(jī)制、評(píng)估模型和相關(guān)參數(shù)，對(duì)比三種方法，等效注量衰減和非電離能損衰減評(píng)估方法在工程應(yīng)用上已經(jīng)應(yīng)用較為成熟，工程應(yīng)用可靠，但是兩種方法均具有一定的適用范圍。而缺陷衰減分析方法是從物理機(jī)理和模型的角度出發(fā)，但是強(qiáng)烈依賴實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，目前僅適合于理論研究。

本文僅僅是對(duì)三種方法進(jìn)行了理論和模型分析，下一步，希望針對(duì)具體的GaAs電池的輻射衰減展開模型計(jì)算對(duì)比，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳宜勇，岳龍，胡建民，等.位移損傷劑量法評(píng)估空間GaAs/Ge太陽電池輻射損傷過程[J].物理學(xué)報(bào)，2011， 60（9）：723-732.

[2] 孫旭芳，王榮，劉運(yùn)宏，等.質(zhì)子輻射與電子輻射對(duì)空間GaAs/Ge太陽電池性能影響比較[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，42（5）：489-491.

[3] 馮偉泉.歸因于空間環(huán)境的航天器故障與異常[J].航天器環(huán)境工程，2011，28（4）：375-389.

[4] 張雷，楊生勝，高欣，等.空間太陽電池輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)方法[J].真空與低溫，2013（1）：24-29.

[5] 張忠衛(wèi)，陸劍峰，池衛(wèi)英，等.砷化鎵太陽電池技術(shù)的進(jìn)展與前景[J].上海航天，2003，20（3）：33-38.

[6] B.Danilchenko，A.Budnk，L.Shpinar，et al.1 MeV electron irradiation influence on GaAs solar cell performance[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2008，92（11）：1336-1340.

[7] M Ochoa，E Yaccuzzi，P Espinet-Gonzalez，et al. 10MeV proton irradiation effects on GaInP/GaAs/Ge concentrator solar cells and their components subcells[J].Solar Energy Materials &Solar Cells，2017（159）：576-582.endprint

[8] Messenger SR，Summers GP，Burke EA，et al.Mod

eling solar cell degradation in space：A comparison of the NRL displacement damage dose and the JPL equivalent fluence approaches[J].Progress in Photovoltaics Research & Applications，2001，9（2）：103-121.

[9] D Stievenard，X.Boddaert，JC Bourgoin，et al. Behavior of electron-irradiation-induced defects in GaAs[J].Physical Review B Condened Matter，1990，41（8）：5271.

[10] JH Warner，SR Messenger，RJ Walters，et al.A deep level transient Spectroscopy study of electron and proton irradiated p+n GaAs Diodes[J].European Conference on Radiation & Its Effects on Components & Systems，2010，57（4）：1940-1946.

[11] M Lu，R Wang，YH Liu，et al.Adjusted NIEL calculations for estimating proton-induced degradation of GaInP/GaAs/Ge space solar cells[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2011，269（17）：1884-1886.

[12] M Turowski，T Bald，A Raman，et al.Simulating the radiation response of GaAs Solar Cells Using a Defect-Based TCAD model[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（4）：2477-2485.

[13] 王杰.三結(jié)GaAs太陽能電池非均勻輻照損傷效應(yīng)及電路仿真[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[14] D Pons，JC Bourgoin.Irradiation-induced defects in GaAs[J].Journal of Physics C Solid State Physics.1985，18（102）：499-510.

[15] KO Hava，N Usami.Theory of open-circuit voltage and the driving force of charge separation in pn-junction solar cells[J].Journal of Applied Physics，2013，114（15）：494-501.

[16] D Stievenard，X Boddaert，JC Bourgoin. Irradiation-induced defects in p-type GaAs[J]. Phys Rev B Condens Matter，1986，34（6）：4048-4058.

[17] Sherif Michael. A Novel Technique for Modeling Radiation Effects in Solar Cells Utilizing Silvaco? Virtual Wafer Fabrication Software[A].European Conference on Radiation & Its Effeets on Coponents & Systems[C].2005.

[18] AL Crespin，S Michael.Modeling the Effects of 1 MeV Electron Radiation in GaAs Solar Cells Using SILVACO? Virtual Wafer Fabrication Software[A].IEEE[C].2005：782-785.

[19] Halima Mazouz， Pierre-Olivier Logerais， Abderrahmane Belghachi，et al.Effect of electron irradiation fluence on the output parameters of GaAs solar cell[J].International Journal of Hydrogen Energy，2015，40（39）：13857-13865.endprint