32%效率三結(jié)砷化鎵太陽電池設計與在軌應用

仇恒抗，姜德鵬，楊 琴，劉廣明

(1.上?？臻g電源研究所，上海 200245；2.上海航天技術(shù)基礎研究所，上海 201109)

砷化鎵太陽電池已經(jīng)廣泛應用于空間電源系統(tǒng)，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展變化，其效率不斷提高，從最初效率為17%[1]的單結(jié)砷化鎵太陽電池，到效率為22%[2]的雙結(jié)砷化鎵太陽電池，再到當今國際上批產(chǎn)效率達30%的三結(jié)砷化鎵太陽電池[3]。目前我國批產(chǎn)效率為30%的三結(jié)GaInP/GaAs/Ge太陽電池已進入工程化應用階段[4]，滿足了衛(wèi)星、深空探測以及多功能航天運輸系統(tǒng)等對能源的需求。

國內(nèi)外在空間用高效多結(jié)砷化鎵太陽電池方面，主要技術(shù)路線為通過調(diào)整各結(jié)材料的帶隙，選擇更加適用于吸收空間光譜的子電池組合，如將光譜劃分后，選取對應的三結(jié)、四結(jié)、五結(jié)甚至六結(jié)太陽電池材料，分別進行吸收，以達到高效轉(zhuǎn)換的目的。美國Spectrolab 實驗室和德國Fraunhofer 實驗室均推出了光譜更加匹配的四結(jié)乃至五結(jié)砷化鎵太陽電池，Spectrolab 在國際上首次實現(xiàn)了36%效率太陽電池的小面積實驗室制備，其特點是通過多結(jié)電池串聯(lián)疊加得到更高的開路電壓，但由于材料之間晶格不匹配等造成的組合困難，目前主要停留在實驗室小面積階段。

為突破三結(jié)砷化鎵太陽電池三結(jié)晶格匹配的效率極限，本研究通過增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，從而提高三結(jié)砷化鎵太陽電池電流密度，將太陽電池效率提升至32%。該效率太陽電池已成功應用于PakTES-1A 衛(wèi)星太陽電池陣，在軌遙測數(shù)據(jù)與地面測試數(shù)據(jù)的對比結(jié)果顯示電流最大誤差不大于0.5%，可為航天器用高面積比功率太陽電池陣設計提供技術(shù)支持。

1 產(chǎn)品設計

帶隙組合為Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 的三結(jié)砷化鎵太陽電池(效率為30%)結(jié)構(gòu)中，頂、中、底子電池的電流密度分別為17.2、18、27 mA/cm2，底電池電流密度為頂中電池電流密度的1.5 倍以上[5]。過多的底電池電流對三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率沒有任何貢獻，最終將以熱能的形式釋放出來。為了進一步提高三結(jié)砷化鎵太陽電池轉(zhuǎn)換效率，減少光能損失，合理的三結(jié)電池帶隙組合需要被研究。

針對空間光譜和晶格匹配三結(jié)砷化鎵太陽電池原有結(jié)構(gòu)存在的限制，產(chǎn)品設計從輸入光譜劃分、材料選擇和電性能計算三方面開展。

1.1 光譜劃分

30%效率三結(jié)砷化鎵太陽電池子電池電流過剩，通過調(diào)整頂、中電池帶隙，使頂中電池吸收光譜紅移，同時使頂、中、底電池電流盡量匹配，可以有效提升電池短路電流和轉(zhuǎn)換效率。選用Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池結(jié)構(gòu)，帶隙組合為1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV，各子電池吸收光譜波段如表1所示。

表1 三結(jié)太陽電池子電池帶隙與吸收波段關(guān)系

太陽電池的電流密度計算公式：

式中：x為計算波段的起始波長，y為計算波段的終止波長，x≤i≤y；λi為該波段光子的波長；Wi為波長為λi時的光照功率；QEi為波長為λi時的量子效率。

理想情況下，假定QE不隨光子波長的變化而變化，為常數(shù)1，則在理想情況下，太陽電池的電流密度計算簡化為：

根據(jù)太陽電池太陽光譜分段及電流密度計算公式，可知理想情況下，各子電池電壓及電流分布如表2 所示，頂中電池的電流密度劃分較為合理，比30%效率太陽電池的電流密度提升約15%。

表2 理想情況下各子電池電流密度劃分

1.2 材料選擇

在三結(jié)電池結(jié)構(gòu)中增加頂電池GaInP 和中電池InGaAs的In 組分，可以降低頂中電池的帶隙寬度，但頂、中電池材料與Ge 襯底之間晶格失配，外延生長會引入失配位錯等大量缺陷，限制電池光電轉(zhuǎn)換效率。因此，對于晶格失配空間電池外延，解決了晶格失配帶來的位錯也就能解決32%效率的空間電池的關(guān)鍵問題。

本文引入應力漸變緩沖層結(jié)構(gòu)生長Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池，首先在Ge 襯底上生長晶格匹配的GaInP 初始層、InGaAs 緩沖層以及GaAs 窄帶隙隧穿結(jié)(TJ1)，接著通過InGaAs 應力漸變緩沖層將電池的晶格常數(shù)從Ge 逐漸增加到目標晶格層Ga0.94In0.06As，晶格失配度為0.3%，最后依次生長與Ga0.94In0.06As 晶格完全匹配的中電池、寬帶隙隧穿結(jié)(TJ2)、頂電池以及Cap 層。Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池上子電池各層材料依然選用與晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結(jié)電池相似的材料，但是不同的In 組分保證各層材料間的晶格匹配。

底電池材料選用Ge，采用擴散的形式，在P-Ge 襯底上形成底電池，禁帶寬度為0.67 eV，晶格常數(shù)為0.565 75 nm。

中電池材料選用InGaAs，為獲得較高的電流密度，中電池采用In0.06Ga0.94As 材料，禁帶寬度為1.34 eV，晶格常數(shù)采用InGaAs 材料的晶格常數(shù)計算公式[6]：

可知，In0.06Ga0.94As 材料的晶格常數(shù)為0.567 76 nm。

頂電池采用與中電池匹配的GaInP 材料，禁帶寬度為1.86 eV，晶格常數(shù)為0.567 76 nm，做到與中電池匹配。根據(jù)InGaP 材料的晶格常數(shù)計算公式[6]：

可知，要做到與中電池InGaAs 材料晶格匹配，需要生長54.3%In 組分的InGaP。

根據(jù)晶格常數(shù)失配度公式：

式中：δs為外延材料相對于襯底的晶格失配度；as為襯底材料的晶格常數(shù)；ae為外延層的晶格常數(shù)。

由失配度公式及襯底與外延層的晶格常數(shù)可知中電池與底電池的晶格失配為：

頂電池做到與中電池匹配，即頂電池與中電池的晶格失配度為0，與底電池Ge 材料的晶格失配度為-0.355%。

1.3 電學特性

根據(jù)研究，Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池中Ga0.94In0.06As 中電池顯示了最弱的抗輻照性能，故子電池電流設計為頂限5%左右。三結(jié)電池Voc由三結(jié)子電池Voc和隧穿結(jié)壓降共同作用形成，最低的隧穿結(jié)壓降可以獲得最高的三結(jié)電池Voc。晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結(jié)電池性能參數(shù)如表3 所示，隧穿結(jié)壓降設計如表4 所示。

表3 效率32%電池各子電池電壓及電流設計

表4 隧穿結(jié)壓降設計

最終獲得的Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)太陽電池在AM0、25 ℃條件下電池轉(zhuǎn)換效率達到32%。表5 為效率30%和效率32%電池產(chǎn)品典型性能設計參數(shù)對比。

表5 效率30%和效率32%電池產(chǎn)品性能設計參數(shù)

2 產(chǎn)品性能及在軌應用

2.1 子電池性能

太陽電池外量子效率測試曲線如圖1 所示。每個子電池的短路電流密度Jsc是由該電池的外量子效率EQE(即將入射光子轉(zhuǎn)換為光生載流子的能力)和入射光譜Φinc(λ)共同決定的。即：

通過對外量子效率測試曲線進行積分可得，三結(jié)砷化鎵太陽電池頂電池(GaInP)電流密度為19.0 mA/cm2，中電池(GaAs)電流密度為19.8 mA/cm2，底電池(Ge)電流密度為23.2 mA/cm2。

圖1 太陽電池外量子效率測試曲線

2.2 鑒定批性能

完成結(jié)構(gòu)定型和攻關(guān)試驗后，對32%效率的三結(jié)砷化鎵太陽電池產(chǎn)品進行鑒定試驗，鑒定批生產(chǎn)合格率為86.11%。合格太陽電池的效率檔主要分布在31.86%～32.66%，平均光電轉(zhuǎn)換效率為32.42%，效率分布如圖2 所示，其中效率大于32%的太陽電池數(shù)占合格電池數(shù)的83.33%。

圖2 鑒定合格的太陽電池效率分布

鑒定電池批平均開路電壓Voc為2 662 mV；其中開路電壓≥2 640 mV的電池占比100%，完成該項指標。平均短路電流密度Jsc為19.4 mA/cm2；其中短路電流密度≥19.1 mA/cm2的電池占比100%。產(chǎn)品典型性能參數(shù)如下：開路電壓Voc為2 660 mV；短路電流密度Jsc為19.1 mA/cm2；最佳工作點電壓Vmp為2 350 mV；最佳工作點電流密度Jmp為18.45 mA/cm2；平均光電轉(zhuǎn)換效率為32%。太陽電池產(chǎn)品實物及I-V曲線如圖3所示。

圖3 32%效率的砷化鎵太陽電池產(chǎn)品實物及I-V曲線

2.3 在軌應用

32%效率砷化鎵太陽電池經(jīng)過了一系列的地面鑒定試驗，已應用于巴基斯坦PakTES-1A 科學實驗衛(wèi)星太陽電池陣(圖4)，并通過了型號規(guī)定的力學、熱學等試驗考核。所用太陽電池尺寸為60.5 mm×40 mm，典型Vmp為2 350 mV，典型Jmp為18.45 mA/cm2。

圖4 PakTES-1A科學實驗衛(wèi)星

PakTES-1A 太陽電池陣面積為2.5 m2(2 塊展開板與1 塊體裝板，衛(wèi)星如圖4 所示)，衛(wèi)星母線電壓29.5 V，要求3 年壽命末期太陽電池陣輸出功率不小于600 W。采用32%效率太陽電池，設計出太陽電池陣末期功率輸出為604 W，衛(wèi)星入軌以來，太陽電池陣工作正常、性能穩(wěn)定，部分子陣遙測電流如表6 所示，SG1 采集量52%、74%表示占空比的百分比。

表6 PakTES-1A 衛(wèi)星太陽電池陣部分遙測數(shù)據(jù)

SG1 與SG5 子陣地面測試值如表7 所示。

表7 PakTES-1A 太陽電池陣部分地面測試數(shù)據(jù)

在軌遙測為母線下太陽陣電流，地面測試值也為母線下電流，再考慮日地因子、溫度、光照角等因素進行折算至近似在軌狀態(tài)，具體如下：

式中：I0為標準測試條件下太陽電池陣母線下工作電流；βIP為電流規(guī)范化平均溫度系數(shù)；Top為太陽電池工作溫度；T0為太陽電池標準測試溫度；Fm為各種因子。按在軌條件折算后輸出如表8 所示。

表8 地面測試結(jié)果轉(zhuǎn)換至在軌條件下輸出

在軌遙測為7 月份數(shù)據(jù)，除去日地因子(約0.97)后，在軌遙測值與地面測試值比較如表9 所示，二者差距僅為-0.2%和0.5%，遙測數(shù)據(jù)與地面測試數(shù)據(jù)一致性較好。

表9 在軌遙測電流與地面測試結(jié)果對比

研制的正裝小失配32%(AM0，25 ℃)效率三結(jié)砷化鎵太陽電池，小批量合格率達到86%以上，在AM0、135.3 mW/cm2、測試溫度25 ℃的條件下，平均光電轉(zhuǎn)換效率32.4%，產(chǎn)品通過了地面鑒定試驗、型號地面試驗考核及型號在軌驗證。產(chǎn)品大大提升了航天電源的配套能力，可在后續(xù)空間工程廣泛應用。

3 結(jié)束語

為突破三結(jié)砷化鎵太陽電池三結(jié)子電池晶格匹配的效率極限，在充分繼承國內(nèi)外工程化應用的30%效率三結(jié)砷化鎵太陽電池的材料體系基礎上，本文采用了晶格小失配Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)，通過增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，將太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提升至32%。該太陽電池已成功應用于PakTES-1A衛(wèi)星太陽電池陣，在軌兩個子陣遙測電流數(shù)據(jù)經(jīng)計算對比，與地面同工況測試結(jié)果差異僅為－0.2%和0.5%。該高效三結(jié)砷化鎵太陽電池應用于空間太陽電池陣，提高了太陽電池陣面積比功率，將航天器主電源發(fā)電能力提升到新的臺階。