高注量1 MeV電子輻照下InGaAs單結(jié)太陽電池退化規(guī)律與機制

慎小寶， 李豫東， 瑪麗婭·黑尼， 趙曉凡， 莫敏·賽來， 許 焱,3,雷琪琪， 艾爾肯·阿不都瓦衣提， 郭 旗， 陸書龍

(1. 中國科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 新疆 烏魯木齊 830011;2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3. 新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046;4. 中國科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所， 江蘇 蘇州 215123)

1 引 言

太陽電池作為空間飛行器的直接能源提供者，其抗輻射性能的優(yōu)劣直接影響航天器的在軌服役壽命。為保證空間飛行器長期穩(wěn)定可靠地工作，研發(fā)具備高轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性以及優(yōu)異抗輻射性能的空間太陽電池具有重要意義。在過去的十年中，高效率(η=30%,在AM0,1sun)晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池一直作為航天器和衛(wèi)星的主要供電來源[1]，但是進一步提高三結(jié)GaInP/GaAs/Ge太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有很大難度[2]。目前，采用晶片鍵合技術(shù)制備的GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結(jié)太陽電池不僅解決了多結(jié)電池中普遍存在的晶格失配問題，而且與其他新型結(jié)構(gòu)電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低，有望成為當前空間太陽電池發(fā)展的主要方向[3-8]。

目前國內(nèi)外對空間用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的輻射效應(yīng)進行了廣泛研究[9-12]，但是關(guān)于鍵合四結(jié)太陽電池輻射效應(yīng)的研究鮮有報道。多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上鍵合新技術(shù)的引用，使鍵合多結(jié)太陽電池的輻射效應(yīng)研究變得更加復(fù)雜。目前，尚未發(fā)現(xiàn)國外關(guān)于鍵合四結(jié)太陽電池輻射效應(yīng)的研究報道。國內(nèi)，代盼等[13]對GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結(jié)太陽電池進行了1 MeV電子輻照實驗，研究發(fā)現(xiàn)InGaAsP和InGaAs兩個子電池的性能退化是導(dǎo)致鍵合四結(jié)電池性能下降的主要原因?；谠摻Y(jié)果，趙曉凡等[1]對GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結(jié)電池中的子電池InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池部分進行了1 MeV電子輻照實驗研究，得到InGaAs子電池性能的退化是導(dǎo)致InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池性能退化的主要原因。因此，InGaAs子電池的抗輻射性能是影響鍵合四結(jié)太陽電池整體抗輻射性能的關(guān)鍵因素。

應(yīng)用于復(fù)雜空間輻射環(huán)境(電子和質(zhì)子等粒子)中的太陽電池，預(yù)計會受到較高注量的粒子輻射(等效于高達1 MeV電子1×1016e/cm2的輻射水平)[14]。目前對于GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結(jié)電池輻射效應(yīng)的各項研究都只限于注量低于1×1016e/cm2的電子實驗，國內(nèi)外關(guān)于InGaAs單結(jié)電池的高注量輻照試驗未曾報道，尚不明確InGaAs單結(jié)電池在1 MeV電子高注量輻照下的退化規(guī)律與機制。因此，對InGaAs單結(jié)電池開展地面高注量輻照模擬實驗，對研究鍵合四結(jié)太陽電池輻射效應(yīng)和加固技術(shù)具有重要意義。

本文對鍵合四結(jié)電池中In0.53Ga0.47As子電池進行了高注量1 MeV電子輻照實驗，并結(jié)合Mulassis (Multi-layered shielding simulation software)模擬仿真計算方法和I-V曲線數(shù)值擬合方法對電池性能的退化機制進行了分析研究。并詳細分析了光生電流Iph、反向飽和電流I0、理想因子n、并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs對電池性能退化造成的影響。該研究為進一步優(yōu)化In0.53Ga0.47As子電池結(jié)構(gòu)和提高鍵合四結(jié)太陽電池抗輻射性能提供了理論依據(jù)。

2 實驗方法

試驗樣品采用MBE(Molecular beam epitaxy)方法制備的In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結(jié)太陽電池，電池面積為2.5 mm×2.5 mm，其結(jié)構(gòu)和透射電鏡圖(TEM)如圖1所示。n型摻雜源為硅，p型摻雜源為硼。窗口層采用n+-lnP材料，以減少前表面復(fù)合；發(fā)射區(qū)為摻雜濃度1×1018cm-3的n+-In0.53Ga0.47As。基區(qū)為摻雜濃度1×1017cm-3的p+-In0.53Ga0.47As；背表面場選用(BSF)p+-lnP材料，以減少背表面復(fù)合；襯底選取p++-lnP材料；電池表面與電極接觸面均為歐姆接觸，以減少表面復(fù)合。

圖1 (a)In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結(jié)電池結(jié)構(gòu);(b)In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)電池的透射電鏡圖。

Fig.1 (a) Structure of In0.53Ga0.47As (Eg=0.74 eV) single junction solar cell. (b) TEM image of In0.53-Ga0.47As (Eg=0.74 eV) single junction solar cell.

輻照實驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所ELV-8型電子加速器上完成，輻照過程保持常溫((25±5)℃)。電子能量選取為1 MeV，注量率選用1×1011e/(cm2·s)，輻照注量點選取如表1所示。分別測試了輻照前后樣品的I-V特性參數(shù)[15](開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率Pmax、填充因子FF)和光譜響應(yīng)EQE參數(shù)。I-V特性參數(shù)測試在AM0和常溫環(huán)境下進行。光譜響應(yīng)測試條件：常溫，波長掃描范圍為800～1 800 nm。

本文運用Mulassis仿真程序計算了不同注量的1 MeV電子在In0.53Ga0.47As單結(jié)太陽電池中產(chǎn)生的位移損傷劑量(DDD)D，并運用Mulassis仿真對In0.53Ga0.47As太陽電池的輻照退化機理進行了分析研究。

表1 采用Mulassis仿真得到每個注量點對應(yīng)的D

Tab.1Dcorresponding to each fluence point calculated by Mulassis simulation

1 MeV electron fluence/(e·cm-2)D/(MeV·g-1)(Mulassis)1×10153.19×10105×10151.59×10118×10152.55×10112×10166.38×10114×10161.28×10125×10161.59×10126×10161.91×1012

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果

位移損傷劑量方法是用于預(yù)測空間太陽電池性能退化的有效分析手段，通常采用D表示帶電粒子在太陽電池中產(chǎn)生的輻射損傷，如式(1)所示[16]：

D=ENIEL×Φ，

(1)

其中，Φ是粒子注量，ENIEL是粒子在電池材料中產(chǎn)生的非電離能量損失(Non-ionizing energy loss，NIEL)。如表1所示，Mulassis仿真結(jié)果顯示D隨注量的增加而增加。

圖2為1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池中產(chǎn)生的NIEL值隨著電子入射深度的變化關(guān)系(通過Mulassis仿真計算得到)。從圖中可以看出：在電池活性區(qū)(發(fā)射區(qū)、結(jié)區(qū)、基區(qū))內(nèi)，NIEL值隨著電子入射深度的增加而增大，對應(yīng)的位移損傷劑量也隨著電子入射深度的增加而增加。這是因為，電池在1 MeV電子輻照下，入射到電池活性區(qū)內(nèi)的高能電子與材料中的晶格原子相互作用，大量反沖原子的產(chǎn)生導(dǎo)致了晶格缺陷數(shù)量隨著入射深度的增加而進一步上升[17]。

圖2 1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池中產(chǎn)生的NIEL值隨著電子入射深度的變化關(guān)系

Fig.2 NIEL as a function of 1 MeV electron particle penetration depth in the In0.53Ga0.47As solar cell

3.2 電學(xué)性能結(jié)果分析

太陽電池I-V特性曲線是衡量太陽電池性能的重要依據(jù)。不僅可以從I-V特性曲線直接獲得Voc、Isc、Pmax和FF等重要參數(shù)，還可以通過太陽電池理論模型提取光生電流Iph、反向飽和電流I0、理想因子n、并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs[18]。圖3為In0.53Ga0.47As太陽電池的I-V曲線隨1 MeV電子輻照注量的變化情況。太陽電池單二極管等效電路模型如下：

(2)

其中VT是熱電壓。當注量大于4×1016e/cm2時，I-V曲線不再滿足單二極管等效電路模型，所以只對注量小于4×1016e/cm2的I-V曲線進行了擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。可以看出，擬合結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，Iph、I0、n、Rsh和Rs提取結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，Iph和Rsh隨著輻照注量的增加而減小，I0、n和Rs隨著輻照注量的增加而增加。表3為1 MeV輻照下In0.53Ga0.47As太陽電池的Voc、Isc、Pmax、FF和η及其剩余因子(RF)隨輻照注量的變化情況。

圖3 In0.53Ga0.47As太陽電池的I-V曲線隨1 MeV電子輻照注量的變化,實線是實驗結(jié)果,符號是擬合結(jié)果。

Fig.3I-Vcharacteristics of 1 MeV electron irradiated In0.53-Ga0.47As solar cell with different fluences, solid lines are measured curves and symbols are simulating results.

表2 從I-V曲線中提取的Iph、I0、n、Rsh、Rs隨輻照注量的變化

Tab.2 Extract the parameters ofIph,I0,n,Rsh,RsfromI-Vcharacteristics of 1 MeV electron irradiated In0.53Ga0.47As solar cell with different fluences

1 MeV electronfluence/ (e·cm-2)Iph/mAI0/AnRs/ΩRsh/Ω03.861×10-61.1641.35 0001×10153.613.7×10-61.1651.3013 8005×10153.2659.8×10-61.191.43 5008×10153.081.55×10-51.1911.412 5002×10162.881.1×10-41.21.432 300

表3 1 MeV輻照下In0.53Ga0.47As太陽電池的Voc、Isc、Pmax、FF、η及其剩余因子(RF)隨輻照注量的變化情況

Tab.3 Values and remaining factor(RF) ofVoc,Isc,Pmax, FF andηof In0.53Ga0.47As solar cell irradiated by 1 MeV electron with different fluences

1MeV electron fluence/ (e·cm-2)Voc/VRFIsc/mARFPm ax/mWRFFFRFη/%RF00.24313.86210.61410.65517.25511×10150.2050.8463.5730.9250.4570.7440.6230.9515.4010.7445×10150.1770.7313.2640.8450.3280.5340.5660.8643.8740.5348×10150.1590.6543.0660.7940.2740.4470.5640.8613.2440.4472×10160.0930.3852.8610.7410.1310.2140.4910.7501.5510.2144×10160.0190.0771.8540.4800.0100.0170.2990.4570.1230.0175×10160.0090.0390.7380.1910.0010.0010.1160.1760.0000.0016×1016000.1900.049000000

圖4是In0.53Ga0.47As太陽電池在1 MeV電子輻照下，Voc、Isc、Pmax與FF的歸一化值隨輻照注量增加的變化情況。從圖中可以看出Voc、Isc、Pmax和FF均隨著輻照注量的增加發(fā)生了不同程度的退化，Voc的退化程度明顯大于Isc，其中Pmax退化最為嚴重。注量達到4×1016e/cm2時，電池的I-V曲線退化趨勢呈斜線，效率退化到原來的1.7%，此時太陽電池已經(jīng)不能再為負載提供有效的電能，可認為電池失效。

圖4 In0.53Ga0.47As單結(jié)太陽電池的歸一化Voc、Isc、Pmax和FF隨電子輻照注量的變化曲線。

Fig.4 NormalizedVoc,Isc,Pmaxand FF values of In0.53-Ga0.47As solar cell with the increase of electron irradiation fluence.

從仿真結(jié)果圖2可以看出，輻照產(chǎn)生的位移損傷缺陷分布于整個電池活性區(qū)，并且隨著輻照注量的增加，產(chǎn)生于電池活性區(qū)內(nèi)的位移損傷缺陷密度越大，電池的相關(guān)電參數(shù)Voc、Isc、Pmax、FF退化就越嚴重。電池樣品在1 MeV電子輻照下，入射電子與晶格原子相互作用，通過庫倫散射碰撞將能量傳遞給晶格原子，使原子發(fā)生位移，從而在電池活性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量位移損傷缺陷，這些輻照引入的位移損傷缺陷在太陽電池活性區(qū)內(nèi)起著復(fù)合、產(chǎn)生、陷阱或散射中心的作用，影響了載流子的產(chǎn)生和輸運，從而導(dǎo)致電池的電參數(shù)發(fā)生退化[19-20]。

電池在電子注量低于1×1016e/cm2的輻照條件下，Isc的退化主要是電子輻照在電池活性區(qū)內(nèi)引入了位移損傷缺陷，這些缺陷縮短了光生少數(shù)載流子的擴散長度，從而使其收集效率降低所致[1]。Φ越大，產(chǎn)生的位移損傷缺陷越多，Iph和Isc的退化就越嚴重，原理如圖5所示。

圖5展示了光生載流子在電池內(nèi)部的產(chǎn)生、傳輸、分離、缺陷捕獲4個過程。 從圖中可以看到，輻照引入的缺陷作為缺陷中心會捕獲光生載流子，影響光生載流子的輸運，降低載流子的有效收集，導(dǎo)致Iph和Isc的退化。

圖5 光生少數(shù)載流子在In0.53Ga0.47As電池內(nèi)部輸運示意圖

Fig.5 Schematic diagram of the transport of photo-generated minority carriers inside the In0.53Ga0.47As solar cell

當電池在電子注量大于1×1016e/cm2的高注量條件下，不僅要考慮位移損傷缺陷引起的光生少數(shù)載流子擴散長度減小對Isc退化造成的影響，還需考慮位移損傷缺陷引起的載流子去除效應(yīng)對Isc退化造成的影響[21]。載流子去除效應(yīng)會引起多數(shù)載流子濃度降低，導(dǎo)致內(nèi)建電場發(fā)生退化和電池的Rs增加，影響光生少數(shù)載流子的收集，導(dǎo)致Iph和Isc發(fā)生退化。

太陽電池內(nèi)建電場VD與多數(shù)載流子濃度nn0和pp0的關(guān)系如下[22]：

(3)

其中，KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，q為電荷量，ni為本征摻雜濃度。

Voc的變化主要受I0和Iph的影響，如公式(4)、(5)所示[22]：

(4)

(5)

JS為反向飽和電流密度，與I0成正比；Ln為p型基區(qū)的少數(shù)載流子擴散長度，Lp為n型發(fā)射區(qū)的少數(shù)載流子擴散長度。由輻照引起的光生少數(shù)載流子擴散長度的減小和載流子去除效應(yīng)，引起了表2中I0的增加和Iph的減小，最終導(dǎo)致了Voc的退化。

如表2所示，Rs隨輻照注量的增加而增大，這是由于輻照引入的位移損傷缺陷產(chǎn)生的載流子去除效應(yīng)所致[23]。基于等效電路單二極管模型，在電池處于短路電流的情況下，光生電流在串聯(lián)電阻上的壓降使得二極管處于正向偏壓條件下，此時產(chǎn)生的暗電流方向與光生電流方向相反，抵消了部分光生電流。所以隨著注量的增加，Rs增大，引起暗電流也隨之增大，導(dǎo)致了電池的Isc減小[10]。Rsh隨輻照注量的增加而減小，Rsh的減小是因為輻照引入的缺陷增大了空間電荷區(qū)兩側(cè)電子和空穴的復(fù)合幾率，使漏電流增大所致，Rsh的減小會導(dǎo)致Voc減小[24]。n值的增加是由于輻照引入的缺陷引起電池活性區(qū)內(nèi)復(fù)合類型的增加所致。填充因子FF決定了太陽電池的輸出功率水平，電池Rs增大和Rsh減小是導(dǎo)致FF退化的主要原因[25]。由于Pmax=FF×Isc×Voc，因此Voc、Isc、FF的退化直接導(dǎo)致了最大功率Pmax的退化。

3.3 光譜響應(yīng)測試結(jié)果分析

圖6是In0.53Ga0.47As太陽電池光譜響應(yīng)EQE隨1 MeV電子輻照注量增加的變化情況，從圖中可以看出，EQE隨著輻照注量的增加而不斷退化。在注量低于4×1016e/cm2時，長波區(qū)的退化情況明顯比短波區(qū)域嚴重，其中一個原因是，在電池活性區(qū)內(nèi)，NIEL值隨著電子入射深度的增加而增加，所產(chǎn)生的位移損傷缺陷密度也隨著電子入射深度的增加而增大；其次，基區(qū)厚度遠大于發(fā)射區(qū)厚度，所以產(chǎn)生于基區(qū)的位移損傷缺陷密度也遠大于發(fā)射區(qū)。較高的位移損傷缺陷密度，增加了光生少數(shù)載流子的復(fù)合幾率，降低了載流子的有效收集。以上兩個原因?qū)е铝嗽谧⒘康陀?×1016e/cm2的條件下，長波區(qū)退化程度大于短波區(qū)的現(xiàn)象。注量大于4×1016e/cm2之后，EQE在整個電池光譜區(qū)域退化均非常嚴重，因此長波區(qū)域的退化程度與短波區(qū)域基本相同。當注量達到6×1016e/cm2之后，EQE基本為零，光電轉(zhuǎn)化效率為零，電池徹底失效。

圖6 In0.53Ga0.47As電池EQE隨輻照注量的變化

Fig.6 EQE of In0.53Ga0.47As solar cell irradiated by 1 MeV electron

4 結(jié) 論

本文對鍵合GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs四結(jié)太陽電池的子電池In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結(jié)電池進行了高注量1 MeV電子輻照實驗，并結(jié)合Mulassis模擬仿真程序?qū)? MeV電子在In0.53Ga0.47As太陽電池中產(chǎn)生的位移損傷情況進行了分析。結(jié)果表明，隨著電子輻照注量的增加，輻照在電池內(nèi)部產(chǎn)生的位移損傷越大，電池性能退化越嚴重。1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池活性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的NIEL值隨著入射深度的增加而增加；電池的Voc、Isc、Pmax和FF都發(fā)生了不同程度的退化，其中Voc的退化程度明顯大于Isc，Pmax退化程度最大；在注量小于4×1016e/cm2時，電池的光譜響應(yīng)在長波區(qū)域退化程度明顯比短波區(qū)域退化嚴重；注量大于4×1016e/cm2之后，電池的I-V曲線退化趨勢呈斜線，效率退化到原來的1.7%以下，此時EQE在整個電池光譜區(qū)域退化均非常嚴重；當注量達到6×1016e/cm2時，電池的光電轉(zhuǎn)換效率基本為零，電池完全失效。擬合結(jié)果分析表明，在電子輻照下，Iph和Rsh的減小以及n、I0和Rs的增加，導(dǎo)致了電池性能的退化。In0.53Ga0.47As電池性能的退化主要是由于輻照引起的光生少數(shù)載流子擴散長度減小和載流子去除效應(yīng)所致。因此，進一步優(yōu)化鍵合四結(jié)電池中的子電池InGaAs的結(jié)構(gòu)、提高其制備工藝對新一代空間太陽電池的發(fā)展具有重要意義。