GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池不同能量質(zhì)子輻照損傷模擬*

李俊煒 王祖軍 石成英 薛院院 寧浩 徐瑞 焦仟麗 賈同軒

1) (西安高科技研究所, 西安 710025)

2) (強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西北核技術(shù)研究院, 西安 710024)

3) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湘潭 411105)

以 GaInP/GaAs/Ge 三結(jié)太陽(yáng)電池為研究對(duì)象, 開(kāi)展了能量為 0.7, 1, 3, 5, 10 MeV 的質(zhì)子輻照損傷模擬研究, 建立了三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型和不同能量質(zhì)子輻照模型, 獲得了不同質(zhì)子輻照條件下的I-V曲線, 光譜響應(yīng)曲線, 結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文模擬結(jié)果, 分析了三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率、光譜響應(yīng)隨質(zhì)子能量的變化規(guī)律, 利用不同輻照條件下三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率退化結(jié)果, 擬合得到了三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率隨位移損傷劑量的退化曲線.研究結(jié)果表明, 質(zhì)子輻照會(huì)在三結(jié)太陽(yáng)電池中引入位移損傷缺陷, 使得少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度退化幅度隨質(zhì)子能量的減小而增大, 從而導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)電學(xué)參數(shù)的退化隨質(zhì)子能量的減小而增大.相同輻照條件下, 中電池光譜響應(yīng)退化幅度遠(yuǎn)大于頂電池光譜響應(yīng)退化幅度, 中電池抗輻照性能較差, 同時(shí)中電池長(zhǎng)波范圍內(nèi)光譜響應(yīng)的退化幅度比短波范圍更大, 表明中電池相關(guān)電學(xué)參數(shù)的退化主要來(lái)源于基區(qū)損傷.

1 引 言

空間太陽(yáng)電池可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,被廣泛應(yīng)用在航天器的電能供應(yīng)系統(tǒng).空間太陽(yáng)電池主要包括非晶硅太陽(yáng)電池、單結(jié)太陽(yáng)電池和GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池.單結(jié)太陽(yáng)電池僅由單一禁帶寬度材料制成, 只能吸收特定波長(zhǎng)下的太陽(yáng)光譜, 不能對(duì)整個(gè)波段的太陽(yáng)光譜充分利用,而利用不同禁帶寬度的材料制成的三結(jié)太陽(yáng)電池,每一種材料可以對(duì)太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)進(jìn)行選擇性吸收, 提高了對(duì)太陽(yáng)光譜的利用率.相比于Si和GaAs單結(jié)太陽(yáng)電池, 三結(jié)太陽(yáng)電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高、光吸收系數(shù)高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn), 正逐步取代GaAs單結(jié)太陽(yáng)電池, 成為航天器主要應(yīng)用的太陽(yáng)電池[1?4].

GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池在軌運(yùn)行時(shí)將受到空間中質(zhì)子、電子及少量重離子的輻照作用[5?7].三結(jié)太陽(yáng)電池粒子輻照損傷的相關(guān)研究表明, 質(zhì)子會(huì)通過(guò)碰撞使三結(jié)太陽(yáng)電池晶格原子位移, 晶格原子離開(kāi)原來(lái)的晶格位置成為間隙原子,而原來(lái)的晶格位置成為空位缺陷.空位缺陷導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)電學(xué)參數(shù)發(fā)生退化, 隨著三結(jié)太陽(yáng)電池受空間粒子輻照時(shí)間的增長(zhǎng), 空位缺陷的持續(xù)增加, 最終將導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池的失效[8,9].因此開(kāi)展三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照損傷的研究具有重要意義.

目前, 國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池空間質(zhì)子輻照損傷相關(guān)研究, 但相關(guān)研究以實(shí)驗(yàn)研究為主, 理論模擬研究開(kāi)展較少, 目前,以三結(jié)太陽(yáng)電池為研究對(duì)象, 主要進(jìn)行了不同能量和注量下質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn), 給出了三結(jié)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓、短路電流、轉(zhuǎn)化因子、最大功率和量子效率與輻照質(zhì)子能量和注量的關(guān)系[10?12].相關(guān)研究結(jié)果表明, 質(zhì)子輻照導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)電學(xué)參數(shù)發(fā)生退化, 隨著輻照注量的增加, 相關(guān)電學(xué)參數(shù)的退化更顯著, 但由于三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的多樣性、輻照條件的局限性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性, 已開(kāi)展的不同能量和注量下質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)研究, 只能分析特定能量和注量的質(zhì)子輻照損傷, 不能夠分析完整空間能譜下的質(zhì)子輻照損傷[13,14].與實(shí)驗(yàn)研究相比, 理論模擬技術(shù)具有成本低、耗時(shí)短、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn), 在研究三結(jié)太陽(yáng)電池輻射損傷評(píng)估及抗輻照加固技術(shù)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).

為系統(tǒng)探究質(zhì)子輻照誘發(fā)三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)電學(xué)參數(shù)退化規(guī)律, 深入分析三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照損傷機(jī)理, 本文利用wxAMPS太陽(yáng)電池模擬軟件[15], 以GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池為研究對(duì)象, 開(kāi)展了能量為 0.7, 1, 3, 5, 10 MeV 質(zhì)子輻照損傷模擬研究, 并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證, 得到了三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓、外量子效率和最大輸出功率與輻照質(zhì)子能量和注量關(guān)系, 結(jié)合器件內(nèi)部參數(shù)變化分析了三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照損傷物理機(jī)理, 研究結(jié)果為三結(jié)太陽(yáng)電池的空間質(zhì)子輻照損傷評(píng)估及抗輻射加固技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)技術(shù)支持.

2 理論模擬

本文開(kāi)展的三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照損傷模擬研究, 主要包括模型構(gòu)建和模擬計(jì)算兩部分, 其中模型構(gòu)建包括三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建和質(zhì)子輻照缺陷模型構(gòu)建.

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1 三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型

三結(jié)太陽(yáng)電池模型由GaInP頂電池、GaAs中電池、Ge底電池模型通過(guò)摻雜濃度為 1 ×1019cm–3的p+-GaAs/n+-GaAs隧穿結(jié)串聯(lián)而成.Al0.25In0.5Ga0.25P, In0.5Ga0.5P, In0.5Ga0.5P 窗口層的摻雜濃度均為 1.8 × 1018cm–3, Ga0.5In0.5P 背面場(chǎng)的摻雜濃度為 2 × 1018cm–3.三結(jié)太陽(yáng)電池其他材料參數(shù)的設(shè)置參照文獻(xiàn)[16].三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.

圖1 GaInP/GaAs/Ge 三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)模型Fig.1.Structure parameters of GaInP/GaAs/Ge triplejunction solar cells.

2.1.2 質(zhì)子輻照缺陷模型

質(zhì)子輻照在三結(jié)太陽(yáng)電池中產(chǎn)生位移損傷, 不同質(zhì)子輻照條件的位移損傷可以統(tǒng)一用位移損傷劑量Dd表示:

其中 NIEL (non ionizing energy loss)為質(zhì)子非電離能量損失, 表示質(zhì)子用于產(chǎn)生位移效應(yīng)的比能量,為輻照注量.位移損傷引入的多種能級(jí)缺陷,是造成三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)電學(xué)性能退化的主要原因[17], 可通過(guò)建立質(zhì)子輻照缺陷模型模擬質(zhì)子輻照對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池產(chǎn)生的影響.模型中能級(jí)位置、濃度、載流子俘獲截面, 根據(jù)深瞬態(tài)能級(jí)譜(deep level transient spectroscopy, DLTS)測(cè)試結(jié)果確定.相關(guān)研究表明, 當(dāng)質(zhì)子能量較高, 足夠穿透中電池時(shí), 在三結(jié)太陽(yáng)電池器件敏感區(qū)域近似產(chǎn)生均勻損傷缺陷, 不同能量和注量下的質(zhì)子輻照主要使能級(jí)缺陷濃度發(fā)生變化, 而能級(jí)位置和載流子俘獲截面變化較小[18,19].因此為了方便模擬的開(kāi)展, 同時(shí)保證模擬的準(zhǔn)確性, 在本文的模擬中, 對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照缺陷模型進(jìn)行適度簡(jiǎn)化: 1)除質(zhì)子輻照缺陷外, 未對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池設(shè)置其他能級(jí)缺陷; 2)在頂電池GaInP和中電池GaAs中設(shè)置輻照缺陷, 在底電池Ge未設(shè)置輻照缺陷, 因?yàn)樵谫|(zhì)子輻照后, 底電池Ge仍產(chǎn)生很大電流, 不會(huì)影響三結(jié)太陽(yáng)電池輸出電流, 同時(shí)由于底電池Ge對(duì)外輸出電壓較小, 不會(huì)明顯影響三結(jié)太陽(yáng)電池輸出電壓; 3)質(zhì)子能級(jí)缺陷濃度與位移損傷劑量成正比.表1[19]和表2[20]列出了能量為 3 MeV, 注量為 1 ×1013cm–2質(zhì)子輻照后, 利用 DLTS 測(cè)試得到的頂電池GaInP和中電池GaAs的能級(jí)缺陷, 其中E為缺陷能級(jí), NT為缺陷濃度.

表1 能量為 3 MeV, 注量為 1 × 1013 cm–2 質(zhì)子輻照后, 頂電池GaInP的能級(jí)缺陷[19]Table 1.GaInP defect parameters after 3 MeV proton irradiation with the fluence of 1 × 1013 cm–2.

表2 能量為 3 MeV, 注量為 1 × 1013 cm–2 質(zhì)子輻照后, 中電池GaAs的能級(jí)缺陷[20]Table 2.GaAs defect parameters after 3 MeV proton irradiation with the fluence of 1 × 1013 cm–2.

2.2 模擬計(jì)算

通過(guò)計(jì)算三結(jié)太陽(yáng)電池泊松方程, 電子和空穴的連續(xù)性方程, 求解三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)物理量.非平衡穩(wěn)態(tài)下, 電子和空穴連續(xù)性方程為[21]

式中Dn和Dp為電子和空穴擴(kuò)散系數(shù), tn和tp分別為P區(qū)少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)少數(shù)載流子(空穴)的平均壽命, Gn(x)和Gp(x)為電子和空穴產(chǎn)生率.模擬計(jì)算中太陽(yáng)光譜模型采用AM0 (Air Mass 0) 標(biāo)準(zhǔn)光譜, 光照強(qiáng)度 H0= 1367 W/m2.太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)的光照射到太陽(yáng)電池后, 太陽(yáng)電池光生載流子的產(chǎn)生率為

其中 F(l)為波長(zhǎng)為 l 時(shí), 入射光的光通量; a(l, x)為波長(zhǎng)為l時(shí), 材料對(duì)光子吸收率; R為表面反射率; x為入射深度.針對(duì)質(zhì)子輻照產(chǎn)生的能級(jí)缺陷,本文引入Shockley-Read-Hall (SRH)復(fù)合模型[22]:

其中, RSRH為 SRH 復(fù)合率, RAα和 RDβ分別為受主缺陷和施主缺陷復(fù)合率, m和n分別為受主缺陷和施主缺陷數(shù)目.RAα和 RDβ表達(dá)式如下:

其中, p 為空穴濃度, n 為電子濃度, ni為本征載流子濃度, g 為退化因子, Ei為本征費(fèi)米能級(jí), Et為缺陷能級(jí), k為玻爾茲曼常數(shù), T為絕對(duì)溫度.

3 結(jié)果討論與分析

3.1 模型結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性, 對(duì)比三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化最大輸出功率隨輻照注量變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[23].1 和 3 MeV 質(zhì)子輻照下, 三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化最大輸出功率隨輻照注量變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 如圖2所示.圖中連續(xù)曲線表示模擬結(jié)果, 離散點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖2可見(jiàn), 隨著輻照注量的增加, 三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化最大功率逐漸減小, 歸一化最大輸出功率隨輻照注量變化模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相近, 兩者符合性較高, 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證.

圖2 最大輸出功率隨輻照注量變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2.Normalized maximum power versus fluence at the proton irradiation energy of 1 and 3 MeV (symbols and lines are experimental and simulation results respectively).

3.2 I-V特征曲線退化分析

為研究三結(jié)太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系, 本節(jié)利用理論模擬方法, 得到不同質(zhì)子能量和輻照注量下, 三結(jié)太陽(yáng)電池I-V特征曲線,結(jié)果如圖3所示.圖3(a)—(e)分別表示能量為0.7, 1, 3, 5, 10 MeV 的質(zhì)子輻照.從圖3 可知, 三結(jié)太陽(yáng)電池I-V特征曲線退化幅度隨質(zhì)子能量的減小而增大.同時(shí), 相同質(zhì)子能量下, 三結(jié)太陽(yáng)電池I-V特征曲線的退化幅度隨輻照注量的增加而增大.在輻照注量小于 5 × 1011cm–2時(shí), 三結(jié)太陽(yáng)電池I-V特征曲線沒(méi)有明顯退化, 但當(dāng)輻照注量大于 5 × 1011cm–2后, 三結(jié)太陽(yáng)電池 I-V 特征曲線發(fā)生明顯退化.質(zhì)子輻照導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池中產(chǎn)生體缺陷, 體缺陷會(huì)在材料禁帶中引入非輻射能級(jí)缺陷, 非輻射能級(jí)缺陷充當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合中心, 增加少數(shù)載流子非輻射復(fù)合, 進(jìn)而導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命減小, 少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度減小, 從而導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池相關(guān)參數(shù)退化(其中I-V曲線與X軸的交點(diǎn)為開(kāi)路電壓, 曲線與Y軸交點(diǎn)為短路電流密度.當(dāng)三結(jié)太陽(yáng)電池外接負(fù)載電阻無(wú)窮大, 電路電流為零時(shí), 三結(jié)太陽(yáng)電池的電壓為開(kāi)路電壓.當(dāng)三結(jié)太陽(yáng)電池外接負(fù)載電阻為零時(shí), 此時(shí)三結(jié)太陽(yáng)電池的電流為短路電流).針對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓的退化機(jī)理, 在后文中將進(jìn)行具體分析.

3.3 短路電流退化分析

為研究不同能量的質(zhì)子輻照對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池中短路電流的影響, 本節(jié)對(duì)不同能量質(zhì)子輻照下三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流退化結(jié)果進(jìn)行分析(以短路電流密度Jsc表征).不同能量質(zhì)子輻照下, 三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化短路電流隨輻照注量變化的模擬結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出, 三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流退化幅度隨質(zhì)子輻照能量的增加而減小.輻照注量為 5 × 1011cm–2, 當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到 0.7 MeV時(shí), 三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流衰減到初始值的0.82,而當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到10 MeV時(shí), 短路電流衰減到初始值的0.95.同時(shí)從圖4可以看出, 隨著輻照注量的逐漸增加, 短路電流退化幅度逐漸增大, 當(dāng)輻照注量大于 5 × 1011cm–2時(shí), 歸一化短路電流退化幅度與輻照注量增加的對(duì)數(shù)值近似呈線性關(guān)系.三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流為各子電池短路電流的最小值, 子電池短路電流的退化是導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流退化的直接原因, 因此首先對(duì)子電池短路電流退化進(jìn)行分析.當(dāng)入射太陽(yáng)光為連續(xù)光譜時(shí), 對(duì)(4)式進(jìn)行積分, 子電池在連續(xù)光譜下載流子產(chǎn)生率為

在忽略表面復(fù)合的情況下, 子電池短路電流為

其中q為電荷電量, H為子電池厚度, Jp為N型發(fā)射區(qū)電流密度, Jd為耗盡區(qū)電流密度, Jn為P型基區(qū)電流密度.將(8)式代入(9)式, 可得子電池短路電流為:

圖3 不同能量和注量的質(zhì)子輻照后 , GaInP/GaAs/Ge 三結(jié)太陽(yáng)電池的I-V曲線 (a) 0.7 MeV; (b) 1 MeV; (c) 3 MeV;(d) 5 MeV; (e) 10 MeVFig.3.Simulation results of I-V curves of GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells irradiated by protons with different energy and fluence: (a) 0.7 MeV; (b) 1 MeV; (c) 3 MeV; (d) 5 MeV; (e) 10 MeV.

式中L0, L分別為輻照前和輻照后的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度, KL為少子擴(kuò)散長(zhǎng)度損傷系數(shù).由(11)式可知,輻照后少子擴(kuò)散長(zhǎng)度隨輻照注量的增加而減小.而KL隨著質(zhì)子能量的減小而逐漸增大, 導(dǎo)致少子擴(kuò)散長(zhǎng)度退化幅度隨質(zhì)子能量的減小和輻照注量的增加而增大, 進(jìn)而導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流退化幅度隨質(zhì)子能量的減小和輻照注量的增加而增大.

圖4 不同能量質(zhì)子輻照下, 歸一化短路電流隨輻照注量變化的模擬結(jié)果Fig.4.Simulation results of normalized short-circuit current versus proton fluence for the GaInP/GaAs/Ge triplejunction solar cells irradiated by different energy proton.

3.4 開(kāi)路電壓退化分析

不同能量質(zhì)子輻照下, 三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化開(kāi)路電壓 (open-circuit voltage, Voc)隨輻照注量變化的模擬結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出, 隨著輻照注量的增加, 歸一化開(kāi)路電壓退化幅度逐漸變大, 對(duì)于不同能量的質(zhì)子輻照, 開(kāi)路電壓退化幅度隨輻照能量的減小而增大, 這與質(zhì)子輻照后短路電流的退化規(guī)律相同, 但相同輻照條件下, 開(kāi)路電壓的退化幅度小于短路電流的退化幅度.當(dāng)質(zhì)子能量為 0.7 MeV, 輻照注量為 1 × 1014cm–2時(shí), 開(kāi)路電壓衰減到初始值的0.68, 而此時(shí)短路電流已經(jīng)衰減到初始值的0.13.三結(jié)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓等于各子電池開(kāi)路電壓之和[25], 因此, 質(zhì)子輻照后, 子電池開(kāi)路電壓退化直接導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓退化.子電池開(kāi)路電壓與短路電流關(guān)系式為[26]

式中J0為反向飽和電流密度.從(12)式可以看出,開(kāi)路電壓Voc和短路電流Jsc的對(duì)數(shù)近似成正比,因此導(dǎo)致開(kāi)路電壓退化幅度小于短路電流的退化幅度.反向飽和電流密度表達(dá)式為[27,28]:

(13)式中, 等號(hào)右側(cè)三項(xiàng)分別為N型發(fā)射區(qū)反向飽和電流密度, P型基區(qū)反向飽和電流密度, 耗盡區(qū)反向飽和電流密度.質(zhì)子輻照誘發(fā)三結(jié)太陽(yáng)電池材料禁帶中產(chǎn)生能級(jí)缺陷, 造成少子壽命和少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的減小, 導(dǎo)致(13)式中反向飽和電流增加,短路電流減小, 從而誘發(fā)開(kāi)路電壓的減小.相同輻照注量下, 質(zhì)子能量越小, 三結(jié)太陽(yáng)電池中產(chǎn)生的空位缺陷濃度越大.因此, 三結(jié)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的退化隨質(zhì)子輻照能量的減小而逐漸增大.

圖5 不同能量質(zhì)子輻照下, 歸一化開(kāi)路電壓隨輻照注量變化的模擬結(jié)果Fig.5.Simulation results of normalized open-circuit voltage versus proton fluence for GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells irradiated by different energy proton.

3.5 光譜響應(yīng)退化分析

為進(jìn)一步揭示質(zhì)子輻照對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池性能產(chǎn)生的影響, 對(duì)不同能量質(zhì)子輻照后, 三結(jié)太陽(yáng)電池外量子效率的變化情況進(jìn)行分析.三結(jié)太陽(yáng)電池外量子效率, 定義為三結(jié)太陽(yáng)電池對(duì)外輸出電荷數(shù)與入射到三結(jié)太陽(yáng)電池表面光子數(shù)之比, 表示在一定波長(zhǎng)的光照條件下, 三結(jié)太陽(yáng)電池中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的效率.固定輻照注量為 3 × 1012cm–2, 不同能量質(zhì)子輻照下, 頂電池 GaInP和中電池GaAs光譜響應(yīng)模擬結(jié)果如圖6所示.圖中未給出底電池Ge的光譜響應(yīng), 這是因?yàn)榈纂姵谿e在質(zhì)子輻照后仍有較大的輸出電流, 不會(huì)影響三結(jié)太陽(yáng)電池輸出電流[29].從圖6可以看出, 隨著質(zhì)子能量的減小, 頂電池GaInP和中電池GaAs光譜響應(yīng)的退化幅度逐漸增大.質(zhì)子輻照后產(chǎn)生的位移損傷缺陷充當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合中心, 位移損傷缺陷濃度隨質(zhì)子能量的減小而逐漸增大, 缺陷濃度的增大導(dǎo)致光生載流子非輻射復(fù)合的增加, 使三結(jié)太陽(yáng)電池對(duì)外輸出電荷數(shù)減小, 進(jìn)而誘發(fā)三結(jié)太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)的退化.

圖6 輻照注量為 3 × 1012 cm–2, 頂電池 GaInP 和中電池GaAs在不同能量質(zhì)子輻照下的外量子效率Fig.6.Simulation results of external quantum efficiency of GaInP and GaAs sub-cells before and after different energy proton irradiation with the fluence of 3 × 1012 cm–2.

此外, 從圖6 可見(jiàn), 相同輻照條件下, 中電池GaAs光譜響應(yīng)退化幅度遠(yuǎn)大于頂電池GaInP退化幅度.因?yàn)橘|(zhì)子輻照后, 頂電池GaInP空位缺陷VIn和VP的遷移能分別為0.26和1.2 eV.中電池GaAs空位缺陷VGa和VAs的遷移能分別為1.79和1.48 eV.頂電池GaInP空位缺陷的遷移能遠(yuǎn)小于中電池GaAs空位缺陷的遷移能.同時(shí)在室溫下, InP材料的輻照缺陷退火效應(yīng)更明顯[26].由此可見(jiàn), 中電池GaAs的抗輻照性能最差, 中電池抗輻照性能直接決定三結(jié)太陽(yáng)電池的抗輻照性能.對(duì)中電池GaAs單獨(dú)分析, 相同輻照條件下, 中電池光譜響應(yīng)在不同波長(zhǎng)退化幅度差別較大, 出現(xiàn)明顯的短波效應(yīng)和長(zhǎng)波效應(yīng).根據(jù)中電池在不同波長(zhǎng)下光譜響應(yīng)結(jié)果, 中電池光譜響應(yīng)在500—700 nm短波范圍內(nèi)退化較小, 而在700—900 nm長(zhǎng)波范圍內(nèi)退化較大.光譜響應(yīng)在不同波長(zhǎng)的退化與電池不同結(jié)構(gòu)的損傷有關(guān).500—700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)退化, 主要因?yàn)橘|(zhì)子輻照減小了N型發(fā)射區(qū)少數(shù)載流子(空穴)擴(kuò)散長(zhǎng)度, 增加了空穴的非輻射復(fù)合.而700—900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)退化, 主要因?yàn)橘|(zhì)子輻照在P型基區(qū)產(chǎn)生了位移損傷, 減小了P型基區(qū)少數(shù)載流子(電子)擴(kuò)散長(zhǎng)度.由于中電池基區(qū)寬度(2.5 μm)遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)(0.1 μm)寬度, 相比于發(fā)射區(qū)頂部少數(shù)載流子, 基區(qū)底部少數(shù)載流子更難以擴(kuò)散到耗盡區(qū).根據(jù)三結(jié)太陽(yáng)電池工作原理, 三結(jié)太陽(yáng)電池對(duì)外輸出電流主要由兩部分組成, 分別是發(fā)射區(qū)少數(shù)載流子(空穴)電流和基區(qū)少數(shù)載流子(電子)電流.當(dāng)受到太陽(yáng)光照射, 太陽(yáng)電池將吸收光子, 使發(fā)射區(qū)少數(shù)載流子(空穴)和基區(qū)少數(shù)載流子(電子)被激發(fā), 發(fā)射區(qū)空穴和基區(qū)電子擴(kuò)散到耗盡區(qū)后, 被耗盡區(qū)形成的內(nèi)建電場(chǎng)所分離, 進(jìn)而對(duì)外產(chǎn)生電流.因?yàn)橹须姵谿aAs基區(qū)的厚度遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)厚度, 在中電池GaAs吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi), 太陽(yáng)光譜中的大部分光子被中電池GaAs基區(qū)所吸收, 基區(qū)被激發(fā)的少數(shù)載流子數(shù)目更多, 所以子電池電流主要由基區(qū)少數(shù)載流子(電子)的電流組成.中電池GaAs基區(qū)(具體見(jiàn)圖1, 中電池P-GaAs基區(qū)的厚度為2.5 μm)電子電流隨不同能量質(zhì)子輻照后的退化結(jié)果如圖7所示.其中圖7(a)為初始狀態(tài)下, 中電池GaAs基區(qū)電子電流密度.為直觀分析基區(qū)電子電流密度變化結(jié)果, 沿A-A′切線處的基區(qū)電子電流密度隨中電池GaAs基區(qū)厚度的變化結(jié)果如圖7(b)所示.利用相同方法, 分別得到輻照注量為 3 × 1012cm–2,不同能量質(zhì)子輻照下基區(qū)電子電流密度隨中電池GaAs基區(qū)厚度的變化結(jié)果.當(dāng)基區(qū)厚度大于1 μm時(shí), 基區(qū)電子電流密度接近為0, 因此圖7(b)中未畫(huà)出1—2.5 μm的電子電流密度.其中圖7(b)中X軸零點(diǎn)位置, 對(duì)應(yīng)于中電池GaAs基區(qū)上表面.相同輻照注量下, 位移損傷濃度隨質(zhì)子能量的減小而增大, 導(dǎo)致少數(shù)載流子非輻射復(fù)合隨質(zhì)子能量的減小而增加, 從而誘發(fā)中電池GaAs基區(qū)電子電流密度隨質(zhì)子能量的減小而減小.同時(shí)可以看到, 電子電流減小到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的基區(qū)厚度隨質(zhì)子能量的減小逐漸減小.只有基區(qū)厚度與耗盡區(qū)的距離小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí), 才能產(chǎn)生電流, 而當(dāng)基區(qū)厚度與耗盡區(qū)的距離大于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí), 則不能產(chǎn)生電流.電子電流減小到零時(shí)的基區(qū)厚度反映了基區(qū)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度.質(zhì)子輻照后, 少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的退化隨質(zhì)子能量的減小而逐漸增大, 從而導(dǎo)致基區(qū)電子電流減小到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的基區(qū)厚度隨質(zhì)子能量的減小而逐漸減小.

圖7 (a)初始中電池 GaAs的基區(qū)少數(shù)載流子 (電子)電流 (Je)的模擬結(jié)果; (b)不同能量質(zhì)子輻照下, 沿 A-A′ 切線的中電池GaAs基區(qū)電子電流密度隨基區(qū)厚度的變化Fig.7.(a) Simulation results of current density (Je) of minority carriers (electron) of GaAs middle cell base region before irradiation; (b) simulation results of current density of minority carriers (electron) versus base thickness for GaAs middle cell base region before and after different energy proton irradiation with the fluence of 3 × 1012 cm–2.

3.6 最大輸出功率退化分析

三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率表示三結(jié)太陽(yáng)電池對(duì)外輸出功率最大值, 是三結(jié)太陽(yáng)電池最重要的性能參數(shù).不同輻照能量下, 歸一化最大輸出功率隨輻照注量變化的模擬結(jié)果如圖8所示.從圖8可見(jiàn), 對(duì)于不同能量的質(zhì)子輻照, 最大輸出功率退化幅度隨輻照能量的減小而增大.因?yàn)樵谌Y(jié)太陽(yáng)電池中, 中電池GaAs抗輻照性能最差, 三結(jié)太陽(yáng)電池性能退化主要由中電池性能退化決定, 所以用中電池的位移損傷劑量等效三結(jié)太陽(yáng)電池位移損傷劑量, 三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化最大輸出功率隨位移損傷劑量的變化結(jié)果如圖9所示.從圖9可以看出,最大輸出功率隨位移損傷劑量的增加逐漸減小, 利用方程[30]及最大輸出功率退化的模擬結(jié)果, 擬合得到歸一化最大功率隨位移損傷劑量的特征方程:

其中 C 為 0.13, D0為 4.53 × 109MeV/g, 由 (14)式可知, 當(dāng) D < D0時(shí), 質(zhì)子輻照對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池影響較小; 當(dāng) D > D0時(shí), 質(zhì)子輻照對(duì)三結(jié)太陽(yáng)電池影響較大, 最大輸出功率的退化與位移損傷劑量的對(duì)數(shù)近似成正比.當(dāng)質(zhì)子能量較高, 足夠穿透中電池GaAs后, 在器件敏感區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的缺陷近似為均勻分布, 此時(shí)只需要確定質(zhì)子輻照條件下的位移損傷劑量, 利用此物理方程, 可以獲得該輻照條件下三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率退化結(jié)果, 實(shí)現(xiàn)三結(jié)太陽(yáng)電池質(zhì)子輻照后最大輸出功率退化的預(yù)估.

圖8 不同能量質(zhì)子輻照下, 三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率隨輻照注量的退化結(jié)果Fig.8.Simulation results of normalized maximum power versus proton fluence for GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells irradiated by different energy proton.

圖9 三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率隨位移損傷劑量的退化結(jié)果Fig.9.Degradation of normalized maximum power versus displacement damage dose for GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells.

4 結(jié) 論

本文以GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池為研究對(duì)象, 開(kāi)展了能量為 0.7, 1, 3, 5, 10 MeV 質(zhì)子輻照損傷模擬研究, 分析了三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率、光譜響應(yīng)隨質(zhì)子能量的退化機(jī)理, 利用不同輻照條件下三結(jié)太陽(yáng)電池最大輸出功率退化結(jié)果, 擬合得到了三結(jié)太陽(yáng)電池歸一化最大輸出功率隨位移損傷劑量變化的物理方程.研究結(jié)果表明, 質(zhì)子輻照會(huì)在三結(jié)太陽(yáng)電池中引入位移損傷缺陷, 使得少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度退化幅度隨質(zhì)子能量的減小而增大, 從而導(dǎo)致三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓、最大輸出功率的退化隨質(zhì)子能量的減小而增大.同時(shí), 在相同輻照條件下開(kāi)路電壓的退化幅度小于短路電流退化幅度.根據(jù)外量子效率模擬結(jié)果, 在相同質(zhì)子輻照條件下, 中電池GaAs外量子效率的退化遠(yuǎn)大于頂電池GaInP外量子效率的退化, 同時(shí)中電池在長(zhǎng)波范圍內(nèi)的退化幅度比短波范圍更大.中電池外量子效率在長(zhǎng)波范圍的退化與中電池基區(qū)損傷有關(guān), 質(zhì)子輻照主要導(dǎo)致中電池GaAs基區(qū)中產(chǎn)生嚴(yán)重的輻照損傷, 從而誘發(fā)三結(jié)太陽(yáng)電池短路電流、開(kāi)路電壓、最大輸出功率的退化.