空間太陽電池輻射效應評價方法

張 雷，楊生勝，高 欣，馮展祖，薛玉雄，陳益峰，馮 娜

(蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

空間粒子輻射環(huán)境主要來自地球捕獲輻射帶、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線等，主要成分是電子、質(zhì)子及少量重離子，如此惡劣的空間粒子輻射環(huán)境是誘發(fā)航天器系統(tǒng)故障或異常的重要原因之一［1］?？臻g太陽電池陣作為衛(wèi)星的重要組成部分，是航天器在軌正常運行的能源保證，同時隨著空間科學技術的發(fā)展，航天器的功率及壽命要求也越來越高，對太陽電池的轉換效率和抗輻射能力提出了更高的要求，因此對空間太陽電池的空間輻射效應研究至關重要。

2 空間輻射環(huán)境對太陽電池的影響機理

目前，對太陽電池輻照損傷效應的研究主要集中在電池宏觀性能演化規(guī)律和輻照損傷的微觀缺陷研究兩個方面。

對太陽電池的宏觀性能的影響主要體現(xiàn)在太陽電池在輻照前后最大功率Pmax、短路電流Isc和開路電壓Voc的變化情況，分析得到變化規(guī)律，進而得到相應損傷系數(shù)。

太陽電池微觀缺陷的研究主要是對太陽電池位移損傷的研究。空間的高能帶電粒子進入太陽電池后其能量傳遞給晶格原子，使晶格原子偏離正常位置產(chǎn)生位移，從而在電池內(nèi)部形成大量的空位、間隙原子和復合體等晶格缺陷。這些缺陷起著載流子復合中心的作用，減少了少數(shù)載流子壽命，使太陽電池電學性能發(fā)生退化。研究表明，載流子壽命的變化通常與輻照粒子的類型、能量、注量及入射方式等因素有關。當傳遞的能量大于某一閾值時，晶格原子就發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，如空位、間隙原子、缺陷簇、空位－雜質(zhì)復合體等。這些缺陷起復合中心的作用，從而降低載流子壽命。光生少數(shù)載流子壽命降低導致其擴散長度縮短，從而造成部分子來不及擴散到空間電荷區(qū)被空間電場分離而發(fā)生復合。光生載流子收集效率的降低最終導致太陽電池性能下降。高能粒子對太陽電池的損傷機理如圖1所示，當具有一定動能的粒子進入材料時，它們通過與晶格原子發(fā)生相互作用而損失能量。入射粒子的大部分動能通過使靶材原子電離而損失(電子吸收能量而被激發(fā)到高能態(tài))，即電離能量損失(IEL)，而只有一小部分動能通過非電離過程損失(非電離能量損失，NIEL)，當這部分能量超過原子晶格能時(例如晶體Si材料中的Si原子非電離損傷閾值約21 eV)，將導致晶格原子離開正常的晶格位置成為間隙原子，而在原來晶格位置留下一個空位，形成所謂的Frenkel缺陷。

非電離損傷也常稱為位移損傷(displacement damage)。而入射粒子與晶格原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的高能初始反沖原子PKA(Primiery Knock-on Atom)在晶體內(nèi)運動時，又可通過級聯(lián)式碰撞產(chǎn)生更多的Frenkel缺陷，這樣產(chǎn)生Frenkel缺陷是很不穩(wěn)定的，會由于點陣形變及熱運動，互相發(fā)生作用而退火(復合)，在室溫下90%的缺陷會在一分鐘內(nèi)復合，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，其他未復合的缺陷會形成穩(wěn)定的缺陷。輻射粒子在物質(zhì)(材料)中產(chǎn)生穩(wěn)定缺陷的過程稱為非電離損傷，由此產(chǎn)生的對物質(zhì)(材料)性能的影響成為非電離損傷效應。

圖1 位移損傷產(chǎn)生缺陷機理示意圖

空間輻射環(huán)境中對太陽電池產(chǎn)生位移損傷的主要輻射來源是空間電子和質(zhì)子，它們通常具有連續(xù)能譜特征，能量從幾eV到幾百MeV不等，且不同軌道上的帶電粒子通量也存在差異。這種具有連續(xù)能譜特征的空間帶電粒子環(huán)境，不可能在地面模擬試驗中實現(xiàn)。因此，必須建立空間輻射環(huán)境中不同能量的質(zhì)子和電子與地面模擬試驗粒子之間的等效方法。

3 空間太陽電池輻射效應評價方法

研究太陽電池的抗輻射特性是目前航天領域的一個重要的工程實際問題，而研究太陽電池輻照損傷效應和機理主要包括兩方面:一是要提高太陽電池的抗輻射能力，為改進其制備工藝及防護方法提供依據(jù)；二是為科學預測太陽電池的在軌行為提供試驗數(shù)據(jù)，以保證航天器長壽命，高可靠性的要求。以下介紹國際上常用的評價方法。

3.1 等效注量法——JPL

美國噴氣動力實驗室(JPL-Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology)H．Y．Tada［2，3］等人提出的等效注量法(Equivalent Fluence Method)，是國際上用于預測空間太陽電池在軌服役行為的主要方法。這種方法是將不同能量和不同類型的帶電粒子引起的輻照損傷效應通過相對損傷系數(shù)(RDC-Relative damage coefficient)聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)實驗室中的單能粒子輻照與空間帶電粒子能譜效應的等效。等效注量法分為四個步驟:1，通過試驗給出不同類型和不同能量帶電粒子輻照下太陽電池電學性能退化到某一水平時的臨界注量；2，根據(jù)臨界注量計算不同能量的帶電粒子相對于1 MeV電子和10 MeV質(zhì)子的相對損傷系數(shù)；3，根據(jù)軌道環(huán)境參數(shù)計算空間帶電粒子能譜，結合相對損傷系數(shù)得到空間帶電粒子等效為1 MeV電子的等效注量；4，根據(jù)等效注量和1 MeV電子輻照下電池的電學性能退化曲線給出其在軌服役行為預測結果。實際的空間環(huán)境中，帶電粒子通量是按能量連續(xù)分布的，在實驗室中不可能同時模擬所有能量的帶電粒子譜，一般只能模擬一種能量的電子或質(zhì)子輻照。要實現(xiàn)實驗室中的單能粒子與空間帶電粒子能譜輻照的等效性，必須建立不同類型或不同能量的粒子輻照損傷效應之間的等效關系。JPL提出的等效注量模型就是把不同能量不同類型的粒子引起的輻照損傷效應通過相對損傷系數(shù)聯(lián)系起來。損傷效應的等效性可以基于太陽電池的電學性能與輻照注量的關系加以表征。如果把太陽電池的電學性能退化到某一特定水平(如退化到輻照前的80%)所需要的輻照注量定義為臨界注量Фc，則相對損傷系數(shù)就等于不同種類或能量粒子輻照的臨界注量之比。由于1 MeV電子是空間輻射環(huán)境中常見的帶電粒子，而且1 MeV能量在實驗室中比較容易獲得，為此將1 MeV電子的臨界注量作為描述太陽電池損傷等效性的基礎。同理，10 MeV質(zhì)子也可以作為計算質(zhì)子輻照下太陽電池等效損傷的基礎。

通過此辦法，形成了一個不同能量電子、質(zhì)子與1 MeV電子之間的輻射損傷等效關系，形成一個數(shù)據(jù)庫，可用于空間連續(xù)能譜中的太陽電池輻射損傷進行分析和評估。根據(jù)等效1 MeV電子注量(或10 MeV質(zhì)子)對電池進行輻照試驗后，獲得特定空間環(huán)境中太陽電池性能參數(shù)經(jīng)過一定時間后的衰減情況。

由于空間輻射是全向的，而且在太陽電池表面加有防護蓋片，通過實驗室垂直入射的電子和質(zhì)子束輻照所獲得的實驗數(shù)據(jù)不能直接用于預測太陽電池的空間輻射效應?？臻g輻射損傷的等效性可以相對于太陽電池裸片在1 MeV電子或10 MeV質(zhì)子垂直入射情況進行計算。這樣使空間輻射的所有因素簡化為一種等效的實驗室輻射(單能，垂直入射)，從而將實驗室數(shù)據(jù)用于預測有防護層的太陽電池陣在空間的行為。

等效注量法已經(jīng)成為國際上預測空間太陽電池在軌行為的通用方法，在實際工程應用中起到了重要作用。隨著航天科技的不斷進步，具有更高光電轉換效率的多結疊層太陽電池進入航天應用領域，并迅速得到了廣泛關注。有關預測多結疊層太陽電池在軌行為的研究已有報道。P．R．Sharps等人［4，5］研究了單結砷化鎵太陽電池、雙結砷化鎵電池和三結砷化鎵太陽電池的輻照效應，得到了10 MeV質(zhì)子等效為1 MeV電子的轉化因子列于表1中。從表中數(shù)據(jù)可見，不同結構的太陽電池所對應的轉化因子明顯不同，要得到適合某種電池的一組相對損傷系數(shù)需要大量的試驗數(shù)據(jù)。為降低成本，S．R．Messenger等人［6］嘗試使用SRIM程序計算了三結砷化鎵太陽電池的相對損傷系數(shù)，計算結果與試驗數(shù)據(jù)存在一定的差異，如圖2所示。利用等效注量法預測三結砷化鎵電池目前還處于嘗試和探索階段［7，8］。

表1 單結、雙結和三結砷化鎵太陽電池的10 MeV質(zhì)子等效為1 MeV電子轉化因子［4，5］

綜上所述，在獲得適當?shù)南鄬p傷系數(shù)的情況下，等效注量法可以用于其它類型的太陽電池甚至是多結疊層電池上。

3.2 位移損傷劑量法——NRL

位移損傷劑量法［9－11］(Displacement Damage Dose Method)是美國海軍試驗室(US Naval Research Laboratory-NRL)基于非電離能損(Non-ionizing Energy Loss，NIEL)創(chuàng)建的太陽電池輻射損傷評估法。該方法的理論基礎是，認為位移損傷是光電材料的主要損傷機制，太陽電池的輻射損傷屬于非電離能損失范疇(帶電粒子與物質(zhì)作用的基本形式是電離和位移，總的能量損失為這兩部分之和，非電離能量損失是指產(chǎn)生電離效應以外的能量損失，幾乎全部用于產(chǎn)生位移效應)。美國海軍實驗室(NRL)通過核物理的理論分析方法，對不同能量粒子在太陽電池材料中的非電離能損失進行計算(通常采用蒙特卡羅分析方法)，獲得不同能量粒子在太陽電池材料中的非電離能損傷等效系數(shù)，通過粒子的非電離能量損失(Nonionizing Energy Loss-NIEL)將粒子輻照注量轉化為位移損傷劑量(Displacement Damage Dose-Dd)，獲得太陽電池電學性能隨位移損傷劑量退化的特征曲線。然后，再由空間帶電粒子能譜和NIEL計算太陽電池在軌服役的等效位移損傷劑量，最終實現(xiàn)對太陽電池在軌行為的預測。

圖2 RDC的SRIM計算結果與試驗結果的對比［6］

S．R．Messenger和R．J．Warters等人［12］利用位移損傷劑量法研究了單結砷化鎵太陽電池的退化效應，在給定空間帶電粒子能譜的情況下，可以計算空間帶電粒子的等效位移損傷劑量。在已知質(zhì)子和電子在GaInP、GaAs和Ge三種材料中的NIEL的情況下，位移損傷劑量法同樣可以用于預測三結砷化鎵太陽電池的輻照損傷［13－15］。S．R．Messenger等人［12］還發(fā)現(xiàn)，50 keV質(zhì)子輻照下單結砷化鎵太陽電池的退化曲線偏離了高能質(zhì)子輻照下電學性能隨位移損傷劑量變化的退化曲線，如圖3所示。出現(xiàn)這一結果的原因是50 keV質(zhì)子主要停留在電池的發(fā)射區(qū)頂部和窗口層中，對電池的活性區(qū)造成的損傷較小。同樣，關于三結砷化鎵太陽電池的研究結果表明，小于150 keV質(zhì)子輻照下三結太陽電池電學性能的退化曲線與高能質(zhì)子輻照的退化曲線發(fā)生偏離，圖4中給出了三結砷化鎵太陽電池Voc的退化曲線［16，17］。從圖4中可見，小于0．1 MeV質(zhì)子主要造成GaInP頂電池損傷，而大于0．15 MeV質(zhì)子主要對GaAs中電池產(chǎn)生損傷。

圖3 砷化鎵太陽電池歸一化Pmax與質(zhì)子位移損傷劑量的關系曲線［12］

以上兩種方法是目前國際上最常用的兩種太陽電池空間輻射效應研究方法，采用地面試驗模擬以及計算機仿真模擬相結合的方法預測太陽電池的在軌行為。對于等效注量法的優(yōu)點是評價體系比較完善，在Si電池、單結砷化鎵電池上得到了較好的應用，但是，評價過程較為繁雜，所需的試驗數(shù)據(jù)多，評價成本高，該方法還有待于進一步改進和優(yōu)化；而位移損傷劑量法相對等效注量法來說預測太陽電池在軌行為操作方便，所需要的試驗數(shù)據(jù)較少，近年來得到了廣泛關注。

4 結束語

圖4 質(zhì)子輻照下三結砷化鎵太陽電池的Voc與質(zhì)子能量的關系［17］

空間粒子輻射環(huán)境會導致太陽電池發(fā)生位移損傷效應，影響航天器在軌運行的可靠性，與此同時隨著國內(nèi)太陽能電池技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大量新型太陽能電池，并且電池制造工藝特得到了改進，這些電池在航天器上使用，必須能夠適應空間輻射的環(huán)境，因此在應用新型太陽電池前必須對輻射效應研究。對于空間太陽電池的輻射效應研究可采用以下方法:

(1)在試驗條件滿足的情況下可開展地面試驗和飛行試驗相結合的對比研究方法，但是這種方法成本比較高；

(2)采用等效注量法得到1 MeV電子或者10 MeV質(zhì)子的相對損傷系數(shù)，通過這種方法可獲得特定空間環(huán)境中太陽電池性能參數(shù)經(jīng)過一定時間后的衰減情況；

(3)采用位移損傷劑量法通過計算機軟件的仿真模擬計算得到高能粒子在太陽電池中的非電離能損，再由空間帶電粒子能譜和非電離能損計算太陽電池在軌服役的等效位移損傷劑量，最終實現(xiàn)對太陽電池在軌行為的預測。

從國內(nèi)目前的研究中發(fā)現(xiàn)在太陽電池輻射效應方面開展的試驗研究工作不夠系統(tǒng)全面，因而我國亟需開展并完善太陽電池的輻射效應研究評價體系，這可為今后地面研究新型太陽電池輻射損傷提供理論和試驗依據(jù)，為太陽電池陣及防護設計提供參考數(shù)據(jù)，確保我國空間太陽電池設計能夠滿足衛(wèi)星長壽命、高可靠性的要求。

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