連續(xù)激光輻照對三結(jié)砷化鎵電池散射光譜的特性影響

郭 威, 常 浩, 徐 燦, 周偉靜, 于程浩, 姬 剛

1. 航天工程大學(xué)研究生院, 北京 101416 2. 航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系, 北京 101416 3. 航天工程大學(xué)航天指揮學(xué)院, 北京 101416

引 言

太陽能電池作為一種高效的光電轉(zhuǎn)化器, 被廣泛地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中, 其一旦損傷會導(dǎo)致系統(tǒng)工作狀態(tài)出現(xiàn)故障。 激光作為一種高亮度光源, 在輻照太陽能電池時會對其輸出性能造成影響, 當(dāng)激光能量密度足夠高時, 極易導(dǎo)致電池?fù)p傷。 由于通常的雷達(dá)、 光學(xué)成像等手段很難實(shí)現(xiàn)損傷特性的判別。 近年來, 光譜探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類目標(biāo)識別領(lǐng)域。 通過探測目標(biāo)的光譜, 可以提供波長維度的可分辨信息, 識別目標(biāo)特征變化[1]。 在連續(xù)激光輻照太陽能電池時, 電池溫度的升高通常會導(dǎo)致其表面形貌甚至結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[2-3], 并對太陽能電池的表面散射光譜特性產(chǎn)生影響, 從而可采用光譜探測方法判別電池?fù)p傷情況。

由于電池的散射光譜是其光學(xué)特性的本質(zhì)體現(xiàn), 能夠反映目標(biāo)的材質(zhì)屬性, 國外較早開始了目標(biāo)散射光譜特性的研究, 并根據(jù)光譜特性對目標(biāo)材質(zhì)進(jìn)行判斷。 在NASA的支持下, 美國的Jorgenson在約翰遜航天中心對三百多種常用空間目標(biāo)材質(zhì)的散射光譜特性進(jìn)行了測量, 并建立了光譜數(shù)據(jù)庫。 密歇根大學(xué)的Patrick等通過望遠(yuǎn)鏡對空間目標(biāo)的散射特性進(jìn)行了探測, 結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中光譜測量的結(jié)果, 對目標(biāo)材質(zhì)進(jìn)行了辨識。 加拿大的Bedard等以Can X-1工程試驗(yàn)小衛(wèi)星為研究對象, 對目標(biāo)上搭載電池的光譜雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)進(jìn)行計(jì)算, 對散射光譜特性曲線的特征進(jìn)行了說明; 并對空間目標(biāo)的BRDF進(jìn)行了分析, 采用BRDF對特定材料進(jìn)行表征, 研究了測量模型的變化對散射光譜測量結(jié)果的影響; 同時, 在實(shí)驗(yàn)室光譜測量的基礎(chǔ)上, Bedard等通過加拿大Mont-Megantic天文臺的望遠(yuǎn)鏡對Galaxy-11衛(wèi)星可見光譜段和近紅外譜段的光譜特性進(jìn)行分析, 并對其材質(zhì)進(jìn)行了識別[4]。 國內(nèi), 如長春理工大學(xué)、 光電研究院等機(jī)構(gòu)同樣對此展開了研究[5], 其中, 吳強(qiáng)等對脈沖激光輻照后, 單晶硅和多晶硅太陽能電池BRDF的變化進(jìn)行了分析。 航天工程大學(xué)的李鵬等通過目標(biāo)散射光譜對氧化鋁、 環(huán)氧漆和砷化鎵等8種常用材質(zhì)進(jìn)行了識別, 基于薄膜干涉特性對三結(jié)砷化鎵電池的散射特性進(jìn)行了仿真研究, 并分析了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)對散射光譜的影響[6]。 目前而言, 盡管國內(nèi)外學(xué)者對太陽能電池樣片的散射光譜特性展開了大量研究, 但對于三結(jié)砷化鎵太陽能電池激光損傷后的散射光譜特性變化研究較少。 本文以連續(xù)激光輻照后的三結(jié)砷化鎵電池為研究對象, 對電池?fù)p傷程度導(dǎo)致散射光譜特性改變的情況進(jìn)行了判斷; 研究了激光輻照對電池光譜BRDF的影響; 結(jié)合基于薄膜干涉理論建立的電池散射光譜模型, 對電池可見光譜段的吸收特性及近紅外譜段的干涉特性變化進(jìn)行分析, 為太陽能電池?fù)p傷程度的判別提供了參考思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

電池表面散射光譜實(shí)驗(yàn)測量裝置如圖1所示, 主要由北京環(huán)境特性研究所提供的目標(biāo)散射特性測量系統(tǒng)以及上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司的FX 2000型和NIR 17型光纖光譜儀組成。 由于三結(jié)砷化鎵電池的表面呈現(xiàn)出明顯的鏡反射特性, 為了進(jìn)行準(zhǔn)確的散射光譜特性測量, 需要高精度的控制系統(tǒng)。 在實(shí)驗(yàn)中, 通過目標(biāo)散射特性測量系統(tǒng)控制三維平臺運(yùn)動系統(tǒng), 并為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定鹵素?zé)艄庠春桶凳噎h(huán)境; 同時采用光譜分辨率為0.73 nm、 響應(yīng)譜段為360～1 100 nm的FX 2000型光譜儀和光譜分辨率為3.1 nm、 響應(yīng)譜段為900～1 700 nm的NIR 17型光譜儀對目標(biāo)散射光譜信息進(jìn)行測量。 考慮到測量系統(tǒng)內(nèi)置光源的光譜范圍, 以及電池表面散射光譜的主要特征譜段, 本次實(shí)驗(yàn)選取的譜段范圍為400～1 200 nm。

圖1 目標(biāo)散射光譜測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(a): 三維平臺運(yùn)動系統(tǒng); (b): 暗室與操作系統(tǒng)Fig.1 Target scattering spectrum measurement experimental system(a): 3D platform motion system;(b): Darkroom and operating system

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

通過圖2所示的測量模型對電池表面的散射光譜進(jìn)行測量, 并計(jì)算了電池BRDF。 其中,λ為波長,θ和φ分別表示天頂角和方位角, 下標(biāo)i和r分別表示入射光和反射光,dωs為探測器的探測角,dEi與dLr分別表示單位面積上入射光的輻照度和反射光的輻亮度。

圖2 電池散射光譜測量模型Fig.2 Measurement model of battery scattering spectrum

此時, 模型中的電池BRDF如式(1)所示。

(1)

由于太陽能電池表面具有強(qiáng)鏡反射特性, 在測量角度偏移2°時, 測量結(jié)果便存在明顯差異。 因此, 出于簡化模型的角度考慮, 令測量方向維持在同一平面, 僅考慮天頂角θ變化的情況, 使入射光源角度θi和電池表面反射光角度θr始終相等。 此時將式(1)進(jìn)行變形后, 計(jì)算過程如下所示。

式(1)中反射光的輻亮度可表示為

(2)

式(2)中,θr為反射角, ΔAr為入射光輻照面積, Δωs為探測器探測角, ΔΦr(Ei,θi,θr,λ)為反射光的光通量。 而式(1)中入射光的輻照度dEi(θi,λ)可化為

(3)

式(3)中, ΔΦi(θi,λ)為入射光的光通量。 由式(2)和式(3)可知, 式(1)可化為

(4)

由于入射光通量ΔΦi(θi,λ)和反射光通量ΔΦr(Ei,θi,θr,λ)是通過將測量光譜原始灰度DN除以對應(yīng)的曝光時間texp得到的。 此時, 式(4)可化為

(5)

式(5)中,DNmaterial和DNcal為光譜儀測量得到電池和定標(biāo)體的光譜原始灰度(digital number, DN),texp(material)和texp(cal)為其對應(yīng)的積分時間。 實(shí)驗(yàn)中采用了聚四氟乙烯(F4)壓制的白板作為定標(biāo)體, 其在350～1 800 nm譜段內(nèi)可以反射99%的入射光, 通常默認(rèn)為1, 可應(yīng)用于激光輻照前后電池散射光譜特性的計(jì)算。 實(shí)驗(yàn)中, 由于入射光源方向?qū)?shí)驗(yàn)測量結(jié)果存在一定影響, 實(shí)驗(yàn)中選擇了角度θi=θr=30°時的測量模型, 對輻照前后三結(jié)砷化鎵太陽能電池的散射光譜進(jìn)行測量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率對電池表面損傷形貌的影響

實(shí)驗(yàn)中使用了尺寸為10 mm×10 mm, 厚度約為175 μm, 轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28.3%的三結(jié)GaInP/GaAs/Ge太陽電池。 該電池采用雙層減反射膜(double anti-reflection coating, DAR)TiO2/Al2O3, 以Ge為襯底, 由三個N/P結(jié)構(gòu)的子電池通過隧穿結(jié)串聯(lián)形成, 其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 原始電池在相機(jī)和光學(xué)顯微鏡中得到的表面形貌如圖4所示。 其中, 圖4(a)為電池的宏觀形貌, 圖4(b)為電池的微觀形貌。

圖3 三結(jié)砷化鎵電池結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of trijunction gallium arsenide battery

實(shí)驗(yàn)采用控制變量的方法, 固定輻照時間為20 s、 輻照光斑直徑約為5 mm, 通過改變連續(xù)激光的功率密度, 進(jìn)行三結(jié)砷化鎵太陽能電池輻照實(shí)驗(yàn)后, 得到如圖5所示的電池表面形貌。

圖5 激光輻照電池的宏觀表面形貌變化(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2Fig.5 Macroscopic surface morphology change of laser irradiated battery(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2

如圖5所示, 在輻照激光功率密度為7.6 W·cm-2時, 電池表面基本沒有發(fā)生變化, 僅在輻照區(qū)域中心位置附近存在分布不均勻的白色斑點(diǎn), 此時電池背面已經(jīng)出現(xiàn)了燒蝕坑; 而在輻照激光功率密度為9.2和10.9 W·cm-2時, 電池表面在激光的作用下出現(xiàn)了損傷, 輻照位置出現(xiàn)了明顯的白色圓形區(qū)域, 表面形貌開始出現(xiàn)變化; 隨著激光功率密度的增大, 損傷效果越發(fā)明顯, 電池?fù)p傷區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大, 在輻照激光功率密度為15.8 W·cm-2時電池已經(jīng)接近燒穿。 同時, 可以發(fā)現(xiàn)在輻照激光功率密度為14.2和15.8 W·cm-2時, 電池表面輻照區(qū)域邊緣位置存在彩色的區(qū)域。

為了進(jìn)一步對電池表面形貌的變化進(jìn)行分析, 通過光學(xué)顯微鏡對激光輻照區(qū)域邊緣位置進(jìn)行拍攝, 得到如圖6所示的微觀表面損傷形貌。 由于光學(xué)顯微鏡視場較小, 圖中僅展示了輻照區(qū)域邊緣位置處的形貌, 其中兩柵線間距離約為1 mm。

圖6 激光輻照電池的微觀表面形貌變化(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2Fig.6 Changes of the surface morphology of the laser irradiated battery(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2

由圖6可知, 當(dāng)激光功率密度為10.9 W·cm-2時, 電池表面出現(xiàn)了明顯的損傷, 存在近似為圓形的燒蝕坑, 輻照區(qū)域的電池結(jié)構(gòu)被徹底損壞; 而在激光功率密度為14.2和15.8 W·cm-2時, 圖6(e、 f)中可以看到燒蝕坑附近存在清晰的彩色圓環(huán)。 這主要是由于在激光長時間輻照的情況下, 輻照區(qū)域附近的材料熔融氧化, 中電池GaAs發(fā)生熱解, 導(dǎo)致As元素析出; 而底電池Ge層在激光作用下熔融后析出表面, 生成GeO2等產(chǎn)物, 使得電池表面出現(xiàn)圖5和圖6中的“彩虹環(huán)”[2, 7]。 實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn), 隨著激光功率密度的增加, 電池表面的損傷越發(fā)明顯, 輻照區(qū)域的燒蝕坑不斷擴(kuò)大。 在激光對電池進(jìn)行輻照時, 電池內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換迅速達(dá)到飽和狀態(tài), 輻照區(qū)域絕大部分激光能量轉(zhuǎn)換為熱能; 隨著熱能在電池內(nèi)部的積累, 逐漸向電池的未輻照區(qū)域擴(kuò)散, 引起電池總體溫度的升高, 當(dāng)累積激光能量達(dá)到一定程度后, 將會導(dǎo)致電池?fù)p傷。

2.2 不同激光功率密度輻照下電池散射光譜特性的影響

實(shí)驗(yàn)中通過選定的30°測量幾何模型, 對不同功率密度連續(xù)激光輻照后, 三結(jié)砷化鎵電池的散射光譜進(jìn)行測量, 分析特征較為明顯的可見光譜段(400～750 nm)和近紅外譜段(900～1 200 nm)內(nèi)BRDF曲線, 結(jié)果如圖7所示。

圖7 輻照激光功率密度變化時電池的BRDF(a): 7.6 W·cm-2 (Visible); (b): 9.2 W·cm-2 (Visible); (c): 10.9 W·cm-2 (Visible); (d): 7.6 W·cm-2 (NIR); (e): 9.2 W·cm-2 (NIR); (f): 10.9 W·cm-2 (NIR); (g): 12.5 W·cm-2 (Visible); (h): 14.2 W·cm-2 (Visible); (i): 15.8 W·cm-2 (Visible); (j): 12.5 W·cm-2 (NIR); (k): 14.2 W·cm-2 (NIR); (l): 15.8 W·cm-2 (NIR)Fig.7 BRDF of the battery when the power density of the irradiated laser changes(a): 7.6 W·cm-2 (Visible); (b): 9.2 W·cm-2 (Visible); (c): 10.9 W·cm-2 (Visible); (d): 7.6 W·cm-2 (NIR); (e): 9.2 W·cm-2 (NIR); (f): 10.9 W·cm-2 (NIR); (g): 12.5 W·cm-2 (Visible); (h): 14.2 W·cm-2 (Visible); (i): 15.8 W·cm-2 (Visible); (j): 12.5 W·cm-2 (NIR); (k): 14.2 W·cm-2 (NIR); (l): 15.8 W·cm-2 (NIR)

當(dāng)輻照激光功率密度為7.6 W·cm-2時, 電池可見光譜段和近紅外譜段的散射光譜如圖7(a)和(d)所示, 圖中黑色曲線為原始電池光譜BRDF曲線, 藍(lán)色曲線為輻照后電池光譜BRDF曲線, 圓環(huán)表示600～750 nm譜段內(nèi)的吸收峰。 相較于原始電池, 輻照后電池BRDF曲線在可見光譜段的幅值大幅度下降, 且吸收特性發(fā)生變化, 表現(xiàn)為吸收峰數(shù)目減少至2個, 吸收峰的位置發(fā)生偏移, 偏移量約為20 nm, 且吸收峰逐漸減弱; 近紅外譜段內(nèi)的類周期振蕩曲線頻率基本一致, 但幅值發(fā)生變化。

當(dāng)輻照激光功率密度為9.2 W·cm-2時, 電池散射光譜BRDF曲線如圖7(b、 e)所示, 與圖7(a)相比, 可見光譜段BRDF曲線的幅值增加, 但仍小于原始電池BRDF曲線的幅值, 可見光譜段內(nèi)的吸收峰衰減, 但吸收峰的數(shù)目和位置基本沒有發(fā)生變化; 而近紅外譜段BRDF曲線的幅值逐漸降低。

當(dāng)輻照激光功率密度為10.9和12.5 W·cm-2時, 電池散射光譜BRDF如圖7(c、 f、 g、 j)所示, 可見光譜段BRDF曲線的幅值繼續(xù)增加, 吸收特性逐漸消失; 而近紅外譜段BRDF曲線的幅值繼續(xù)下降, 此時電池表面出現(xiàn)了圓形燒蝕坑。

在激光功率密度繼續(xù)增大的情況下, 電池?fù)p傷程度進(jìn)一步加劇, 當(dāng)輻照激光功率密度為14.2 W·cm-2時, 圖7(h、 k)中可見光譜段的吸收峰消失; 而近紅外譜段曲線的幅值繼續(xù)下降, 此時近紅外譜段的干涉特性主要是由輻照區(qū)域附近的未損傷電池產(chǎn)生的; 在輻照激光功率密度為15.8 W·cm-2時, 電池基本上被燒穿, 輻照損傷區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大, 表面出現(xiàn)明顯的“彩虹環(huán)”, 此時電池光譜BRDF特性如圖7(i、 l)所示, 可見光譜段BRDF曲線的幅值繼續(xù)上升, 在600～900 nm譜段已經(jīng)超過了原始電池; 而近紅外譜段BRDF曲線的幅值繼續(xù)下降, 由于電池表面存在GeO2等燒蝕產(chǎn)物, 導(dǎo)致曲線振蕩特性發(fā)生變化。

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 為了分析三結(jié)砷化鎵電池各層結(jié)構(gòu)損傷對電池光譜散射特性的影響, 基于薄膜光學(xué)理論, 建立多層膜系的散射模型。 對激光損傷后, 各層子電池在不同厚度時的散射光譜特性進(jìn)行分析, 并計(jì)算其相應(yīng)光譜BRDF。

在三結(jié)砷化鎵太陽能電池的各層子電池中, 減反射膜DAR層和底電池Ge層的主要功能是吸收太陽光, 對電池散射光譜特性基本無影響[6]。 此時在僅含單層子電池的情況下, 激光損傷后不同厚度的GaInP層和GaAs層子電池散射光譜特性如圖8和圖9所示。

圖8 GaInP層損傷對散射特性的影響(a): 原始GaInP層; (b): GaInP層損傷0.3 μm; (c): GaInP損傷0.6 μmFig.8 Damage effect on scattering characteristics of GaInP layer(a): The original GaInP layer; (b): Damage layer with a thickness of 0.3 μm; (c): Damage layer with a thickness of 0.6 μm

圖9 GaAs層損傷對散射特性的影響(a): 原始GaAs層; (b): GaAs層損傷1.2 μm; (c): GaAs層損傷2.4 μm; (d): GaAs層損傷3.6 μmFig.9 Damage effect on scattering characteristics of GaAs layer(a): The original GaAs layer; (b): Damage layer with a thickness of 1.2 μm; (c): Damage layer with a thickness of 2.4 μm; (d): Damage layer with a thickness of 3.6 μm

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 通過減小頂電池的厚度, 對原始電池、 部分損傷后電池以及基本完全損傷時電池分析, 發(fā)現(xiàn)電池散射光譜BRDF曲線的整體幅值變化較小, 可見光譜段內(nèi)的吸收峰的數(shù)目和位置發(fā)生變化, 近紅外譜段曲線的頻率產(chǎn)生一定變化, 且GaInP層對近紅外譜段內(nèi)干涉特性曲線的振幅、 頻率起到調(diào)制作用; 同時, 中電池GaAs層的厚度變化對BRDF曲線的整體幅值影響較小, 主要是影響近紅外譜段的干涉特性, 但在損傷一定厚度后將會導(dǎo)致可見光譜段表現(xiàn)出干涉特性。 當(dāng)激光輻照導(dǎo)致電池?fù)p傷時, GaInP層厚度的減小, 主要影響可見光譜段的吸收特性; GaAs層厚度的減小, 主要影響近紅外譜段的干涉特性。 在激光損傷下, GaInP層和GaAs層厚度的變化是導(dǎo)致電池散射光譜曲線特征變化的主要因素。

實(shí)驗(yàn)中采用808 nm連續(xù)激光對電池進(jìn)行輻照時, 激光的光子能量未達(dá)到頂電池的禁帶寬度, 此時激光可以穿過頂電池, 對GaAs層進(jìn)行輻照, 使得該層溫度升高。 由于GaAs層厚度較薄, 約為3.7 μm, 而在三結(jié)砷化鎵電池的各層子電池中, 頂電池GaInP層和底電池Ge層的特殊結(jié)構(gòu)對于熱擴(kuò)散破壞效應(yīng)的變化較為敏感[3], 在連續(xù)激光作用下, 輻照區(qū)域溫度的升高容易導(dǎo)致GaInP層和Ge層出現(xiàn)損傷, 對電池的散射光譜特性造成影響。 從模型仿真結(jié)果可知, 頂電池GaInP層主要影響可見光譜段的吸收特性, 中電池GaAs層主要影響近紅外譜段的干涉特性。

與實(shí)驗(yàn)對比可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)激光功率密度為7.6 W·cm-2時, 可見光譜段內(nèi)吸收峰的數(shù)目和位置, 以及近紅外譜段內(nèi)類周期振蕩曲線的幅值, 相較于原始電池發(fā)生變化, 此情況下輻照區(qū)域的GaInP層出現(xiàn)了一定程度的損傷, 但GaAs層未出現(xiàn)明顯變化, 該現(xiàn)象與圖5(a)和圖6(a)所示的電池表面形貌相吻合; 在14.2 W·cm-2功率密度激光輻照后, 可見光譜段內(nèi)的吸收峰消失, 近紅外譜段內(nèi)曲線的幅值衰減, 而頻率基本不變, 此時輻照區(qū)域GaInP層已基本完全損傷。

實(shí)驗(yàn)和仿真模型表明了隨著激光功率密度的增加, 電池?fù)p傷程度的加劇, 可見光譜段內(nèi)的吸收峰數(shù)目逐漸減少, 甚至消失, 而吸收峰的位置會產(chǎn)生偏移; 近紅外譜段內(nèi)曲線幅值逐漸遞減, 其頻率會發(fā)生改變。

3 結(jié) 論

為了對激光輻照后的電池?fù)p傷程度進(jìn)行分析, 本文利用薄膜光學(xué)理論, 針對頂電池GaInP層和中電池GaAs層在不同損傷程度下的特性進(jìn)行研究; 通過目標(biāo)散射光譜測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 對損傷前后電池的散射光譜進(jìn)行了測量。 結(jié)合仿真模型和實(shí)驗(yàn)研究, 可以發(fā)現(xiàn): 頂電池GaInP層的存在使得光譜曲線在可見光譜段產(chǎn)生吸收峰, 并對近紅外譜段內(nèi)干涉特性曲線的振幅、 頻率起到調(diào)制作用, 當(dāng)該層損傷程度加劇, 厚度減小時, 吸收峰數(shù)目不斷減少, 且吸收峰的位置發(fā)生偏移; 中電池GaAs層主要影響近紅外譜段的干涉特性, 在損傷達(dá)到一定程度后, 會使得可見光譜段內(nèi)出現(xiàn)一定干涉特性, 當(dāng)該層逐漸損傷時, 可見光譜段曲線出現(xiàn)干涉特性, 而近紅外譜段的曲線幅值和頻率逐漸發(fā)生變化。