質(zhì)子輻照下高效太陽電池輸出特性及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

葛笑寒，張 磊

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，三門峽 472000；2.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，三門峽 472000；3.沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 100035)

0 引 言

影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素為光生載流子復(fù)合損耗和等效串聯(lián)電阻功率損耗[1]。近地軌道衛(wèi)星供電系統(tǒng)中的高效單晶硅太陽電池會受到被地球磁場俘獲的低能質(zhì)子輻照損傷的顯著影響[2]。為了保證空間供電系統(tǒng)長期可靠的工作，提高太陽電池抗質(zhì)子輻照損傷的能力，需要結(jié)合空間質(zhì)子輻照環(huán)境(輻照能量、輻照劑量等)，對太陽電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計和優(yōu)化。

目前實驗室中大多使用X射線和60Co γ射線電離輻照源，其輻照損傷機(jī)理為電離損傷，而質(zhì)子輻照損傷機(jī)理為位移損傷，且輻照實驗周期長、成本高[2-3]。鑒于此，本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件中的輻照損傷模塊對空間低軌道衛(wèi)星用高效插指背結(jié)背接觸(IBC)單晶硅太陽電池的質(zhì)子輻照效應(yīng)進(jìn)行研究。截止目前，關(guān)于太陽電池輻照損傷的研究報道較多[4-5]，但針對質(zhì)子輻照損傷對高效IBC太陽電池電學(xué)性能影響的研究報道較少。本文利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件，首先詳細(xì)分析了低能(1.8 keV)質(zhì)子輻照劑量對高效IBC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。然后，為準(zhǔn)確評價低軌道星載太陽電池的抗輻照能力，同時給出在無質(zhì)子輻照情況下，受主、施主復(fù)合中心密度和受主、施主陷阱密度對IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響，通過轉(zhuǎn)換效率及其退化特點的對比，給出不同質(zhì)子輻照劑量所對應(yīng)的受主、施主復(fù)合中心密度和受主、施主陷阱密度。最后，以提高質(zhì)子輻照條件下太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo)，在不同的質(zhì)子輻照劑量情況下，詳細(xì)地分析了前表面場(FSF)結(jié)構(gòu)和前表面浮空發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)(FFE)對IBC太陽電池電學(xué)性能的影響，并給出在一定的質(zhì)子輻照劑量下，電池較適合采用的前表面結(jié)構(gòu)及摻雜濃度。

1 太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)及模型選擇

圖1為IBC太陽電池的單元結(jié)構(gòu)剖面圖，圖1(a)為采用前表面場情況，圖1(b)為采用浮空發(fā)射區(qū)情況。相比于地面應(yīng)用的高效IBC太陽電池，其襯底電阻率和襯底厚度的選擇不同。由于在質(zhì)子輻照環(huán)境中，隨著質(zhì)子輻照劑量的增大，位移損傷導(dǎo)致電池內(nèi)陷阱和復(fù)合中心密度增大[6-7]。因此，為降低襯底中光生載流子在輸運過程中的復(fù)合損耗，襯底厚度在滿足長波光吸收及衛(wèi)星發(fā)射時機(jī)械應(yīng)力要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能的減薄。由于太陽電池陣表面極易俘獲大量低能帶電粒子，使太陽電池陣表面產(chǎn)生高達(dá)幾千伏的靜電壓，如果靜電場放電，則可能造成太陽電池?fù)舸?，或干擾星上的遙測系統(tǒng)[8]。因此，為提高太陽電池的可靠性，需要適當(dāng)提高電池襯底電阻率。太陽電池結(jié)構(gòu)的具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 太陽電池結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)[6,9-10]

質(zhì)子輻照過程將在IBC太陽電池中產(chǎn)生光生載流子的陷阱和復(fù)合中心，其對電池內(nèi)少子壽命產(chǎn)生影響。質(zhì)子輻照后太陽電池內(nèi)少子壽命可表示為[6,11]：

(1)

(2)

其中：τp和τn分別空穴和電子壽命；NT為陷阱或復(fù)合中心密度；vth為載流子熱運動速度(2.3×107cm/s)；σp和σn分別為空穴和電子的俘獲界面。在仿真過程中，受主陷阱電子、空穴的俘獲截面分別為1×10-16cm2和1×10-14cm2，施主陷阱電子、空穴的俘獲截面分別為1×10-14cm2和1×10-16cm2。在仿真復(fù)合中心密度和陷阱密度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響過程中，假設(shè)復(fù)合中心和陷阱僅單獨存在，且陷阱和復(fù)合中心在N型單晶硅襯底中均勻分布，復(fù)合中心對電子和空穴的俘獲截面為1×10-16cm2，體復(fù)合中心距離導(dǎo)帶的間距為0.5 eV，能級簡并度為1。復(fù)合中心密度為變量，變化范圍為0～1×1018cm-3。受主陷阱電子俘獲截面為1×10-16cm2，受主陷阱空穴俘獲截面為1×10-14cm2，施主陷阱電子俘獲截面為1×10-14cm2，施主陷阱空穴俘獲截面為1×10-16cm2。

在質(zhì)子輻照仿真過程中，質(zhì)子輻照能量、輻照損傷因子及非電離能量損耗之間的關(guān)系參考文獻(xiàn)[12]和[13]的實驗結(jié)果。具有一定輻照能量的質(zhì)子所產(chǎn)生的缺陷密度(NT)可表示為[12-13]：

NT=αD·EL·Dose

(3)

其中：αD表示輻照損傷因子，取為50；EL表示非電離能量損耗(NIEL)，低能質(zhì)子能量為1.8 keV，EL為3.1；Dose表示質(zhì)子輻照劑量，仿真中質(zhì)子輻照劑量的范圍為105～1016cm-2。選擇與摻雜濃度、晶格溫度、電場強(qiáng)度相關(guān)的遷移率模型[14]，與溫度相關(guān)的俄歇(AUGER)復(fù)合模型以及與摻雜濃度相關(guān)的SRH復(fù)合模型[15]。另外還考慮了重?fù)诫s引起的禁帶變窄效應(yīng)和能帶簡并效應(yīng)。模擬測試條件選擇為空間用太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測試方法，即：25 ℃，AM0光譜。

2 仿真結(jié)果與討論

圖2為仿真得到的質(zhì)子輻照劑量對太陽電池(采用前表面場結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)換效率的影響，同時給出在無質(zhì)子輻照情況下，復(fù)合中心密度和陷阱密度對相同結(jié)構(gòu)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。由圖2可見，在質(zhì)子輻照條件下，當(dāng)質(zhì)子輻照劑量小于1×109cm-2時，隨著質(zhì)子輻照劑量的增大，太陽電池轉(zhuǎn)換效率略有減小。而當(dāng)輻照劑量高于1×109cm-2時，隨著輻照劑量的增大，太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨之迅速減小。當(dāng)輻照劑量達(dá)到1×1012cm-2時，若輻照劑量繼續(xù)增大，太陽電池幾乎不再具有光電轉(zhuǎn)換的能力。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量為1×109cm-2時，太陽電池轉(zhuǎn)換效率為22.41%(無質(zhì)子輻照時，轉(zhuǎn)換效率為22.59%)。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量為1×1012cm-2時，太陽電池轉(zhuǎn)換效率為0.22%。

對于僅存在復(fù)合中心或陷阱的情況下，隨著復(fù)合中心密度或陷阱密度的增大，每種情況下太陽電池轉(zhuǎn)換效率的退化特點與僅存在質(zhì)子輻照的情況相似。由于太陽電池的襯底為N型，單晶硅太陽電池作為雙極型光電器件，光生少子空穴對其輸出特性的影響尤為顯著。對于受主陷阱，由于其空穴的俘獲截面最大，其對少子空穴濃度的影響最大，因此，在無質(zhì)子輻照情況下，僅存在受主陷阱時，其對IBC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響最大，即在較低的陷阱密度下(NT=1×1011cm-3)，電池光電轉(zhuǎn)換效率就出現(xiàn)了迅速降低的現(xiàn)象。由此表明，太陽電池轉(zhuǎn)換效率受到質(zhì)子輻照或復(fù)合中心、陷阱作用后降低的關(guān)鍵因素為少子空穴濃度的降低。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量為1×1010cm-2時，等效于產(chǎn)生密度為5×1012cm-3的受主、施主復(fù)合中心，等效于產(chǎn)生密度為3×1012cm-3的施主陷阱，等效于產(chǎn)生密度為1×1012cm-3的受主陷阱。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量為1×1011cm-2時，等效于產(chǎn)生密度為1×1014cm-3的受主、施主復(fù)合中心，等效于產(chǎn)生密度為8×1013cm-3的施主陷阱，等效于產(chǎn)生密度為9×1012cm-3的受主陷阱。

前表面場(FSF)結(jié)構(gòu)和浮空發(fā)射區(qū)(FFE)結(jié)構(gòu)是目前高效IBC單晶硅太陽電池可采用的兩種電學(xué)增效結(jié)構(gòu)[16-18]。對于FSF結(jié)構(gòu)，電池上表面N+/N高低結(jié)對襯底光生少子空穴產(chǎn)生一定的反射作用，降低了光生少子空穴在電池上表面的復(fù)合損耗，且FSF在一定程度上降低了電池串聯(lián)電阻損耗，有利于電池轉(zhuǎn)換效率的提高。對于FFE結(jié)構(gòu)，F(xiàn)FE結(jié)構(gòu)在電池表面形成P+/N結(jié)，P型FFE將向襯底中注入一定濃度的少子空穴，在一定程度上增大襯底中的少子空穴濃度。FSF結(jié)構(gòu)摻雜濃度越高，對襯底少子空穴的反射作用越強(qiáng)，F(xiàn)FE結(jié)構(gòu)摻雜濃度越高，少子空穴的注射效率越高。但隨著FSF結(jié)構(gòu)和FFE結(jié)構(gòu)摻雜濃度增大，也會增大其內(nèi)部光生載流子的復(fù)合損耗。

圖3～5為仿真得到的N+前表面場(FSF)和P+前表面浮空發(fā)射區(qū)(FFE)摻雜濃度對不同質(zhì)子輻照條件下太陽電池電學(xué)性能的影響。其中，質(zhì)子輻照劑量為0 cm-2表示地面應(yīng)用的情況。由圖3(a)短路電流密度(JSC)曲線可見：當(dāng)質(zhì)子輻照劑量一定時，對于FSF結(jié)構(gòu)，隨著FSF摻雜濃度增大，JSC隨之單調(diào)減小。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量一定時，對于FFE結(jié)構(gòu)，隨著FFE摻雜濃度增大，JSC隨之先增大后減小。隨著質(zhì)子輻照劑量的增大，峰值JSC對應(yīng)的FFE摻雜濃度增大。相比于采用FSF結(jié)構(gòu)的情況，采用FFE結(jié)構(gòu)情況下的JSC較高。在不同的輻照條件下，F(xiàn)SF結(jié)構(gòu)和FFE結(jié)構(gòu)可在很大程度改善IBC太陽電池的JSC，如表2所示。相比于FFE結(jié)構(gòu)，在較高質(zhì)子輻照劑量情況下，F(xiàn)SF結(jié)構(gòu)對JSC提高的幅度下降較明顯。圖3(b)為FFE結(jié)構(gòu)和FSF結(jié)構(gòu)對應(yīng)的JSC差值(△JSC)，由圖3(b)可見：在不同的質(zhì)子輻照劑量情況下，F(xiàn)FE結(jié)構(gòu)與FSF結(jié)構(gòu)對應(yīng)的△JSC均為正值，表明FFE結(jié)構(gòu)在改善不同質(zhì)子輻照條件下的JSC方面優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量一定時，隨著摻雜濃度的增大，△JSC隨之非線性增大。當(dāng)摻雜濃度一定時，質(zhì)子輻照劑量越大，△JSC越大。表明采用摻雜濃度經(jīng)優(yōu)化的FFE結(jié)構(gòu)更有利于改善高質(zhì)子輻照劑量環(huán)境中太陽電池的JSC。

表2 無前表面結(jié)構(gòu)情況下的太陽電池電學(xué)性能

由圖4(a)開路電壓曲線(VOC)可見：對于FSF結(jié)構(gòu)，不同質(zhì)子輻照劑量下太陽電池VOC均呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點。對于FFE結(jié)構(gòu)，不同質(zhì)子輻照條件下，峰值VOC對應(yīng)的FFE結(jié)構(gòu)摻雜濃度略低于FSF情況。在不同的輻照條件下，F(xiàn)SF結(jié)構(gòu)和FFE結(jié)構(gòu)可在很大程度改善IBC太陽電池VOC，且摻雜濃度經(jīng)優(yōu)化的FSF結(jié)構(gòu)在改善太陽電池VOC方面的效果更好(見表2)。圖4(b)為FFE結(jié)構(gòu)與FSF結(jié)構(gòu)對應(yīng)的VOC差值(△VOC)，隨著質(zhì)子輻照劑量的增大，△VOC為負(fù)值所對應(yīng)的前表面結(jié)構(gòu)的摻雜濃度范圍增大，表明質(zhì)子輻照劑量越高，F(xiàn)SF結(jié)構(gòu)在改善電池VOC方面的優(yōu)勢越明顯。

由圖5(a)轉(zhuǎn)換效率(Eff)曲線可見：當(dāng)質(zhì)子輻照劑量一定時，隨著摻雜濃度的增大，采用FSF結(jié)構(gòu)和FFE結(jié)構(gòu)的太陽電池，Eff均隨之先增大后減小，且Eff均高于無前表面結(jié)構(gòu)的情況(見表2)。對于FSF和FFE結(jié)構(gòu)，隨著質(zhì)子輻照劑量的增大，峰值Eff對應(yīng)的FSF和FFE的摻雜濃度均增大。對于FSF結(jié)構(gòu)，在無質(zhì)子輻照情況下，峰值Eff(22.61%)對應(yīng)的FSF摻雜濃度為9×1018cm-3；在質(zhì)子輻照劑量為1×1010cm-2時，峰值Eff(21.01%)對應(yīng)的FSF摻雜濃度為1.1×1019cm-3；在質(zhì)子輻照劑量為1×1011cm-2時，峰值Eff(11.94%)對應(yīng)的FSF摻雜濃度為1.2×1019cm-3。對于FFE結(jié)構(gòu)，在無質(zhì)子輻照情況下，峰值Eff(22.56%)對應(yīng)的FFE摻雜濃度為8×1018cm-3；在質(zhì)子輻照劑量為1×1010cm-2時，峰值Eff(20.98%)對應(yīng)的FFE摻雜濃度為9×1018cm-3；在質(zhì)子輻照劑量為1×1011cm-2時，峰值Eff(12.38%)對應(yīng)的FFE摻雜濃度為2×1019cm-3。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量為0 cm-2或輻照劑量為1×1010cm-2時，僅當(dāng)前表面結(jié)構(gòu)摻雜濃度較高(Cs>3×1019cm-3)時，F(xiàn)FE結(jié)構(gòu)和FSF結(jié)構(gòu)情況下的Eff差別較顯著，而較低摻雜濃度情況下的FFE和FSF結(jié)構(gòu)對Eff的改善效果差別較小。由圖5(b)可見：對于質(zhì)子輻照劑量為1×10-11cm-2的情況，F(xiàn)FE結(jié)構(gòu)對應(yīng)的Eff均明顯優(yōu)于FSF結(jié)構(gòu)的情況(轉(zhuǎn)換效率差值△Eff范圍為0.12%～0.6%)，表明在高質(zhì)子輻照劑量條件下，采用FFE結(jié)構(gòu)可更有效改善空間IBC單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。本文IBC太陽電池的低能質(zhì)子輻照效應(yīng)仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)[6]的結(jié)果基本一致，證明本文模型的有效性。

3 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了低能質(zhì)子輻照劑量對低軌道衛(wèi)星用高效IBC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。仿真結(jié)果表明：太陽電池轉(zhuǎn)換效率受到質(zhì)子輻照或復(fù)合中心、陷阱作用后降低的原因為光生少子空穴濃度的降低。采用摻雜濃度經(jīng)優(yōu)化的FFE結(jié)構(gòu)更有利于改善高質(zhì)子輻照劑量環(huán)境中太陽電池的短路電流密度。摻雜濃度經(jīng)優(yōu)化的FSF結(jié)構(gòu)在改善太陽電池VOC方面的效果更好，質(zhì)子輻照劑量越高，F(xiàn)SF結(jié)構(gòu)在改善電池VOC方面的優(yōu)勢越明顯。對于不同的質(zhì)子輻照劑量，存在最優(yōu)的摻雜濃度，使得FFE和FSF結(jié)構(gòu)情況下太陽電池Eff最高。在質(zhì)子輻照劑量為0 cm-2和1×1010cm-2時，F(xiàn)FE和FSF結(jié)構(gòu)在提高太陽電池Eff方面的差別較小，采用FFE結(jié)構(gòu)情況下的峰值Eff略低于采用FSF結(jié)構(gòu)情況下的峰值Eff。在質(zhì)子輻照劑量為1×1011cm-2時，采用FFE結(jié)構(gòu)對于IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的改善效果明顯優(yōu)于采用FSF結(jié)構(gòu)的情況。