三結(jié)GaAs太陽電池連續(xù)激光輻照累積效應(yīng)

李云鵬，竇鵬程，張檢民，吳麗雄，劉衛(wèi)平，徐作冬，師宇斌

(激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室；西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

當(dāng)前，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，太陽電池已在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低成本，聚光電池成為光伏領(lǐng)域的研究熱點之一，聚光比為302的三結(jié)GaAs太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已達到44.4%[1]，但高聚光比對太陽電池強光承受能力提出了挑戰(zhàn)。開展太陽電池激光輻照效應(yīng)與機理研究，可為改進太陽電池設(shè)計、擴展應(yīng)用和提高損傷閾值提供依據(jù)。

近年來，對太陽電池激光輻照效應(yīng)與機理的研究，國內(nèi)外已開展了大量工作[2-4]。西北核技術(shù)研究所、國防科技大學(xué)及南京理工大學(xué)均已開展了大量實驗，獲取了伏安特性曲線退化規(guī)律。2015年，國防科技大學(xué)Zhu等[5]發(fā)現(xiàn)了電池材料氧化/分解的實驗現(xiàn)象，2017年，西北核技術(shù)研究所李云鵬等[6-7]建立了受損太陽電池的5參數(shù)等效電路模型，闡明了受損電池的影響因素；2018年，Dou等[8]進一步完善了等效電路模型，解釋了短路電流異常變化的損傷機理；2018年，南京理工大學(xué)孫浩等[9]建立了連續(xù)激光輻照三結(jié)GaAs太陽電池溫度場模型；2020年，譚宇等[10]在此基礎(chǔ)上建立了熱力模型；2021年，捷克布爾諾科技大學(xué)的Nikola等[11]用超連續(xù)譜光源輻照太陽電池2個月，獲得了與激光輻照相似的太陽電池退化規(guī)律。

2015年以來，南開大學(xué)吳強課題組[12-13]一直致力于黑硅紅外探測器的研究，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)硅材料表面累積了足夠多次數(shù)的激光輻照后，才會出現(xiàn)森林狀尖錐結(jié)構(gòu)。2014年，國防科技大學(xué)朱榮臻等[14]研究單結(jié)GaAs/Ge、單晶硅太陽電池激光輻照效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多個脈沖輻照太陽電池，由于激光漂移，光斑會觸及柵線，多脈沖輻照的累積效應(yīng)會加重損傷效果直至電池完全失效。因此，開展材料和光電器件累積效應(yīng)研究，會發(fā)現(xiàn)不同于單次輻照的新現(xiàn)象，有助于加深對其損傷機理的認(rèn)識。

近年來，三結(jié)GaAs太陽電池作為光伏領(lǐng)域發(fā)展的熱點電池之一，非聚光狀態(tài)下效率已達到37.9%[15]，相關(guān)的累積效應(yīng)研究尚未見公開報道。本文以三結(jié)GaAs太陽電池為對象，開展了近紅外連續(xù)波激光輻照效應(yīng)研究，獲取了累積效應(yīng)規(guī)律，加深了對太陽電池激光輻照損傷機理的認(rèn)識。

1 激光輻照實驗

圖1為實驗光路示意圖。波長為1.1 μm的激光正入射樣品表面，利用微透鏡陣列、透鏡和光闌對光斑進行勻化和大小調(diào)節(jié)，利用分束鏡和功率計對激光功率進行監(jiān)測，利用光閘對激光出光時間進行控制，利用測溫儀對樣品前表面溫度進行測量。

圖1 實驗光路示意圖Fig.1 Schematic diagram of opticla path in experiment

調(diào)節(jié)光斑大小和位置，使其局部輻照樣品中心。圖2為實驗用三結(jié)GaAs太陽電池樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 三結(jié)GaAs太陽電池樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of triple-junction solar cells structure

通過測量太陽電池的伏安特性曲線(J-V曲線)來獲取樣品的開路電壓VOC、短路電流密度JSC和最大功率Pmax等參數(shù)。通過輻照前后Pmax的對比來判斷電池性能變化情況。

2 效應(yīng)規(guī)律與分析

研究結(jié)果表明，太陽電池損傷的實質(zhì)為熱損傷[7]。因此，累積輻照效應(yīng)實驗的實質(zhì)是獲取不同溫度歷程太陽電池的效應(yīng)規(guī)律。

激光輻照過程中，太陽電池表面溫度與激光輻照功率密度和太陽電池表面耦合特性有關(guān)。

2.1 耦合特性研究

2.1.1 常溫下耦合系數(shù)

電池的耦合特性取決于2方面：一是材料折射率和器件結(jié)構(gòu)；二是表面減反膜的特性。常溫下，電池經(jīng)多次輻照后，未發(fā)生熔融狀態(tài)下，材料折射率及器件結(jié)構(gòu)不會發(fā)生顯著變化，因此，由此部分引起的耦合特性變化可忽略。而減反膜的損傷會對電池反射譜產(chǎn)生影響，圖3為不同功率密度E的激光輻照30 s后，太陽電池的吸收率，即耦合系數(shù)α隨激光波長λ的變化關(guān)系。

圖3 不同功率密度的激光輻照30 s后，太陽電池的耦合系數(shù)隨激光波長的變化關(guān)系Fig.3 α vs. λ after 30 s laser irradiation with different E

由圖3可見，輻照損傷后太陽電池在可見光區(qū)域吸收率大幅降低，表明減反膜出現(xiàn)了損傷，但對波長約為1.1 μm激光的吸收率基本不變。即常溫下，輻照前后電池對波長為1.1 μm激光的耦合特性無明顯變化。

2.1.2 高溫下耦合系數(shù)

在高溫情況下，由于電池材料折射率和結(jié)構(gòu)厚度均會發(fā)生改變，因此會影響耦合強度。圖4為本文搭建的高溫耦合特性測試平臺示意圖。

利用該平臺獲取了三結(jié)太陽電池對波長為1.1 μm激光的耦合系數(shù)隨溫度T的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5可見，電池吸收率隨溫度增加而略有變化，約為0.9。但激光輻照過程中，樣品大部分時間處于400 ℃以上，此階段吸收率波動均在5%以內(nèi)。因此，可認(rèn)為吸收率在高溫下與常溫下基本一致。

綜上，可忽略耦合特性對溫度歷程的影響，為使太陽電池經(jīng)歷相同溫度歷程，可采用相同功率密度激光進行輻照。

圖4 高溫耦合特性測試平臺示意圖Fig.4 Diagram of high temperature coupling characteristic test platform

圖5 三結(jié)太陽電池對波長為1.1 μm激光的耦合系數(shù)隨溫度T的變化關(guān)系Fig.5 α vs. T of triple-junction solar cells for 1.1 μm laser

2.2 累積效應(yīng)規(guī)律

2.2.1 整體效應(yīng)規(guī)律

固定輻照時間為30 s，逐漸增加輻照功率密度，采用1-on-1模式輻照，即對樣品只輻照一次，輻照后太陽電池最大輸出功率Pa，max與輻照前最大輸出功率Pb，max的比值和表面最高溫度Tmax隨功率密度E的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可見：隨著激光輻照功率密度的提升，電池表面溫度逐漸升高，損傷逐漸增強；當(dāng)E小于10 W·cm-2時(Tmax約為490 ℃)，電池并未發(fā)生損傷；當(dāng)E達到18 W·cm-2時(Tmax約為660 ℃)，電池性能退化對溫度十分敏感；當(dāng)E達到26 W·cm-2時(Tmax約為780 ℃)，電池幾乎完全失效。將數(shù)據(jù)重新整理，繪制Pa，max/Pb，max隨Tmax的變化關(guān)系，如圖7所示。由圖7可見：當(dāng)Tmax達到約490 ℃時，Pa，max/Pb，max開始出現(xiàn)顯著下降，隨著Tmax的增加Pa，max/Pb，max逐漸下降；當(dāng)Tmax達到660 ℃時，Pa，max/Pb，max的退化對溫度十分敏感。因此，可將Tmax分為Tmax<490 ℃，490 ℃660 ℃ 3個溫度范圍分別進行實驗研究。

圖6 Pa，max/Pb，max 和Tmax隨功率密度E的變化關(guān)系Fig.6 Pa，max/Pb，max and Tmax vs. E

圖7 Pa，max/Pb，max隨Tmax的變化關(guān)系Fig.7 Pa，max/Pb，max vs. Tmax

2.2.2Tmax<490 ℃

(1) 高溫持續(xù)時間對損傷結(jié)果影響

固定輻照功率密度，針對不同全新樣品開展不同輻照時間實驗，輻照時間tduration對損傷結(jié)果的影響如圖8所示。圖8中：J為樣品表面電流密度；V為電池電壓；T為樣品前表面中心溫度；t為輻照時間。輻照時間為30 s時，Tmax約為430 ℃；輻照時間為60 s時，Tmax約為445 ℃。

(a) J-V curves

(b) T vs. t

由圖8可見，當(dāng)Tmax<490 ℃時，增加高溫持續(xù)時間tduration及Tmax，電池依然不會發(fā)生損傷。

(2) 輻照次數(shù)對損傷結(jié)果影響

圖9為累積效應(yīng)實驗結(jié)果(Tmax<490 ℃)。由圖9可見，累積輻照3次后，太陽電池性能未發(fā)生明顯變化。對比溫度歷程可見，不同輻照次數(shù)的溫度歷程十分接近。

因此，當(dāng)Tmax<490 ℃時，增加輻照時間和輻照次數(shù)，太陽電池性能不會發(fā)生明顯退化。

(a) J-V curves

(b) Tmax vs. irradiation times

(c) T vs. t

2.2.3 490 ℃

(1) 高溫持續(xù)時間對損傷結(jié)果影響

490 ℃高溫持續(xù)時間t490 ℃對損傷結(jié)果的影響(490 ℃

(a) J-V curves

(b) T vs. t

(2) 輻照次數(shù)對損傷結(jié)果影響

圖11為累積效應(yīng)實驗結(jié)果(490 ℃

(a) Pa，max/Pb，max vs. irradiation times

(b) Tmaxvs. irradiation times

(c) T vs. t

2.2.4Tmax>660 ℃

(1) 高溫持續(xù)時間對損傷結(jié)果影響

當(dāng)Tmax>660 ℃時，Pa，max/Pb，max退化的跨度較大，此時，Tmax分別為690 ℃和730 ℃時，t660 ℃對損傷結(jié)果的影響如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可見，當(dāng)Tmax>660 ℃時，隨著t660 ℃的增加，Pa，max/Pb，max退化加重。

(a) J-V curves

(b) T vs. t

(a) J-V curves

(b) T vs. t

(2) 輻照次數(shù)對損傷結(jié)果影響

累積效應(yīng)實驗結(jié)果(Tmax>660 ℃)如圖14所示。由圖14可見，增加輻照次數(shù)會導(dǎo)致性能退化更加嚴(yán)重，當(dāng)累積輻照約5次時，電池性能接近完全失效。

(a) Pa，max/Pb，maxvs. irradiation times

(b) Tmax vs. irradiation times

(c) T vs. t

綜上所述，當(dāng)Tmax>660 ℃時，增加輻照次數(shù)或者延長輻照時間均會導(dǎo)致電池性能持續(xù)下降，直至接近完全失效。

2.3 小結(jié)

本節(jié)通過開展不同溫度區(qū)間的激光輻照效應(yīng)研究，獲取了不用于以往的效應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，太陽電池退化規(guī)律與Tmax，tduration及輻照次數(shù)均相關(guān)。驗證了高溫導(dǎo)致太陽電池材料相變[7]，最終導(dǎo)致性能退化的損傷機理，進一步加深了對電池?zé)釗p傷機制的認(rèn)識。

3 結(jié)論

本文開展了三結(jié)GaAs太陽電池1.1 μm連續(xù)激光輻照實驗，當(dāng)輻照時間為30 s時，光斑局部覆蓋條件下，當(dāng)輻照功率密度小于10 W·cm-2時，電池并未發(fā)生損傷；當(dāng)輻照功率密度達到18 W·cm-2時，電池性能退化對溫度十分敏感；當(dāng)輻照功率密度達到26 W·cm-2時，電池幾乎完全失效。

基于太陽電池耦合特性測量結(jié)果，設(shè)計實驗，開展了相同最高溫度不同輻照時間，相同溫度歷程不同輻照次數(shù)激光輻照累積效應(yīng)實驗。結(jié)果表明，當(dāng)最高溫度低于490 ℃時，增加輻照時間以及輻照次數(shù)，太陽電池不會發(fā)生損傷；當(dāng)最高溫度處于490～660 ℃時，增加輻照時間會加重電池損傷程度，增加輻照次數(shù)會產(chǎn)生明顯的累積效應(yīng)，電池性能退化隨著輻照次數(shù)增加而加重，直至趨于一個定值；當(dāng)最高溫度超過660 ℃時，增加輻照時間會加重電池損傷程度，增加輻照次數(shù)會產(chǎn)生明顯的累積效應(yīng)，電池性能退化隨著輻照次數(shù)增加而加重，直至接近完全失效。