空間帶電粒子輻照下GaAs太陽電池的輻照損傷效應*

盛延輝

(哈爾濱師范大學)

0 引言

GaAs太陽電池因為它卓越的性能，已被大家作為電源廣泛的應用于航天衛星中.然而GaAs太陽電池不可避免的會受到如帶電子、質子、重離子等粒子輻照而損壞，導致太陽電池的性能發生退化，直接影響航天器在軌服役的可靠性和使用壽命.因此，深入研究帶電粒子輻照環境下太陽電池的損傷效應，準確預測太陽電池的在軌行為，對于優化航天器的整體設計，提高衛星運行可靠性具有十分重要的意義.該文將從電池的宏觀性能變化規律、輻照損傷微觀缺陷及理論模型模擬三個方面對太陽電池的輻照損傷效應進行.

空間帶電粒子輻照太陽電池后，會在太陽電池中產生許多晶格缺陷，如位移缺陷、填隙原子等.這些缺陷在太陽電池中起著載流子復合中心的作用，減小少數載流子壽命，從而使太陽電池的電學性能發生退化.因此研究太陽電池輻照損傷效應主要有兩個目的:一是提高太陽電池抗輻照性能，為改進其制備工藝和防護方法提供依據;二是為科學預測太陽電池在軌行為提供理論指導和試驗依據［1］.

1 太陽電池電學性能退化規律研究

空間輻照環境對太陽電池性能的影響主要是研究太陽電池輻照前后電學性能參數的變化.已有研究結果表明，太陽電池電學性能的退化與帶電粒子的性質有關.

美國噴氣動力試驗室的 B.E.Anspaugh［2］比較系統地研究了質子和電子能量對LEP方法生產的GaAs/Ge太陽電池性能的影響.研究結果為他們后期預測GaAs/Ge太陽電池在軌行為提供試驗數據.Messenger S R［2］等人對 Anspaugh B E研究數據總結，還對50keV質子輻照下采用LEP方法和MOCVD方法生產的GaAs/Ge太陽電池Pmax的退化規律進行了比較研究.從研究結果可知，雖然MOCVD方法成本高，但可以精確控制外延層厚度、濃度和組分，實現大面積超薄層和多層生長，這些優勢是LEP技術不能達到的.國內的王榮等人［4］研究5～20 MeV質子輻照下MOCVD生產的GaAs/Ge太陽電池的輻照損傷效應.研究結果與B.E.Anspaugh的一致.另外他們還研究了0.1～3MeV質子輻照下GaAs/Ge電池的輻照損傷效應［5］.胡建民［6］研究了小于200 keV質子輻照下GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應，結果表明:70keV質子輻照下電池開路電壓退化幅度最大，40keV質子輻照下太陽電池短路電流退化幅度最大.趙慧杰［7］研究了小于200 keV質子輻照下GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應，研究結果與胡建民的一致.從以上研究結果來看用MOCVD生產的GaAs/Ge太陽電池在小于200 keV質子輻照下的損傷效應研究還比較少.

由于多結太陽電池有較高的光電轉換效率，近年來成為研究熱點.關于GaInP/GaAs/Ge太陽電池輻照損傷效應以美國海軍試驗室的研究工作最具代表性.R.J.Walters［8］等人給出了1 MeV電子輻照前后GaInP/GaAs/Ge電池的光譜響應.結果表明，GaAs中間電池抗輻照性能最差.日本航天器研究中心的Mitsuru Imaizumi等人［9］對比研究了高能電子和質子輻照 InGaP/GaAs/Ge太陽電池和Si太陽電池后太陽電池的輻照損傷機制.結果比明，InGaP/GaAs/Ge三結太陽比Si電池的抗輻照性能要好，主要原因是InGaP 頂電池非常好.S.R.Messenger等人［10］對GaInP/GaAs/Ge太陽電池的質子輻照效應進行了探索性研究.因此可見，多結太陽電池雖然有許多優點，但目前關于多結太陽電池的輻照損傷效應研究還處于起步階段.

2 輻照損傷微觀缺陷演化規律分析

太陽電池輻照損傷微觀缺陷的研究主要以深能級瞬態譜研究方法(DLTS)最為常見.已有許多人研究了電子輻照在GaAs中的輻照缺陷引入率、缺陷能級和俘獲截面.D.Pons等人［11］研究LEP方法生產的GaAs/Ge在1Mev電子輻照下所產生陷阱.研究結果中給出了四個電子陷阱位置，還給出經過500℃退火后，所產生新的較為復雜的陷阱位置.Bourgoin J C［12］分析了太陽電池輻照引入的缺陷，提出接近禁帶中間的缺陷Ec－0.76 eV是少子壽命縮短的主要原因.然而關于質子輻照微觀缺陷的研究同樣也已經受到的廣泛的關注，許多文章只給出質子輻照引起的缺陷能級和俘獲截面.但在缺陷引入率方面給出的信息較少，特別是空穴缺陷引入率.胡建民［13］研究了小于200keV質子分別輻照GaAs/Ge單結太陽電池和GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池所產生的深能級缺陷.DLTE結果表明，100 keV和170 keV質子輻照GaAs/Ge太陽電池產生的深能級分別為Ec－0.31 eV 和Ec－0.47 eV，且隨質子能量的增加而缺陷濃度降低;ODLTS結果表明，小于200 keV質子輻照GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池在GaInP子電池中引入的深能級缺陷主要有Ec－0.26 eV、Ev+0.18 eV 和Ev+0.42 eV，在GaAs子電池中產生的深能級缺陷主要有Ec－0.015 eV、Ec－ 0.15 eV、Ev+0.33 eV .Zhang X［14］等采用光學深能級瞬態譜(ODLTS)法測試了GaInP/GaAs/Ge太陽電池在100、130和170 keV質子輻照下產生的缺陷，ODLTS分析方法為多結太陽電池輻照缺陷檢測開辟了新途徑.

近年來還有使用光致發光或電致發光光譜法研究太陽電池輻照損傷效應.Wang R［15］等人采用光致發光分析了1、1.8和11.5MeV電子輻照GaAs/Ge太陽電池的退化，文獻中討論了太陽電池效率η的退化，用光致發光(PL)測量分析了電子輻照引入的缺陷.趙慧杰［16］用光致發光光譜法研究了100keV質子輻照對GaAs/Ge太陽電池的光電效應的影響，由于質子輻照引入的大量缺陷，使晶格空間的完整性受到破壞，導致少子的擴散長度降低、表面復合速度增加所致，從而對材料的光電性能具有破壞性的影響.光致發光或電致發光光譜法雖然可以用來研究太陽電池輻照損傷效應，但這種方法不能確定缺陷類型，對缺陷濃度也不能做定量分析.所以深能級瞬態譜法是表征太陽電池微觀缺陷比較有效的方法.

3 太陽電池載流子輸運規律探索

用理論模型模擬研究太陽電池輻照損傷效應是繼宏觀性能演化規律研究和輻照損傷微觀缺陷研究之后新的研究方法，目前，國內外有很多人采用這種方式來研究太陽電池的輻照損傷缺陷.這種方法是從載流子輸運機制的角度研究了太陽電池的輻照損傷效應，并且可以對試驗結果進行佐證，從而驗證了實驗結果的合理性.

國外應用 PC1D模擬太陽電池輻照損傷效應的報道較多.Roshdy A.AbdelRassoul［17］應用PC1D軟件研究了 Si太陽電池在非光照下的I－V特性，給出表面復合率、少子壽命和溫度對其電學性能的影響.Yahia A H［18］對 InP同質結進行研究，結果表明，PC1D軟件可以很好的應用于電池的研究，給出了理論上材料的本征載流子濃度、載流子擴散長度和表面復合率.Cappelletti M A［19］采用 PC1D軟件數值模擬分析了1MeV電子輻照下InGaP/GaAs/Ge太陽電池中GaAs子電池的電學性能，結果表明，InGaP/GaAs/Ge太陽電池的輻射誤差是太陽電池摻雜濃度的函數，當確定基區和發射區載流子濃度后可以獲得最大的最大功率.

國內目前有關使用PC1D軟件進行太陽電池模擬的報導很少，其應用還處于起步階段.孫永亮［20］用PC1D軟件模擬了高能電子、高能質子和低能質子輻照GaAs單結電池在電池內部損傷過程，給出了可以表示損傷程度的重要物理參量，即擴散長度損傷系數KL和載流子去除率RC.

胡建民［21］在研究了不同能量質子和電子輻照GaAs/Ge單結太陽電池輻照損傷效應和機理時，在載流子輸運機制的基礎上建立單結GaAs太陽電池輻照損傷的物理模型即短路電流退化的數學模型和開路電壓退化的數學模型.這兩個模型為人們從載流子輸運機制角度研究太陽電池輻照損傷效應提供了新的方法.

4 結論與展望

目前，國內外研究太陽電池輻照損傷效應的方法主要是電學性能退化規律、輻照損傷缺陷和理論模型模擬.國際上研究高能粒子輻照GaAs/Ge太陽電池電學性能退化的試驗數據比較完善，關于小于200 keV低能質子輻照太陽電池性能退化數據比較少，GaInP/GaAs/Ge多結太陽電池輻照損傷效應還處于起步階段.而研究太陽電池輻照損傷微觀缺陷的表征方法還比較單一，深能級瞬態譜法在給出質子輻照缺陷引入率方面的數據罕見.所以，太陽電池電學性能退化和電池輻照損傷缺陷兩方面對太陽電池的輻照損傷效應的研究并不深入，而用物理模型從載流子輸運機制的角度可以更加深入的揭示太陽電池輻照損傷的機理.所以，利用模型從載流子輸運機制的角度研究太陽電池輻照損傷效應將會受到人們的廣泛關注.根據以上研究情況，該文總結了太陽電池輻照損傷效應可以按流程圖圖1進行，通過此流程圖可以清晰明了的知道了研究太陽電池輻照損傷效應的過程和解決方法.

圖1 太陽電池輻照損傷效應流程

［1］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應及在軌性能退化預測方法.哈爾濱工業大學博士學位論文，2009.20.

［2］Anspaugh B E.Proton and Electron Damage Coefficients for GaAs/Ge Solar Cell.Proceedings of the 22nd IEEE Photovoltaic Spacialist Conference，Las Vegas，1991.1593–1598.

［3］Messenger S R，Summers G P，Burke E A，et al.Modelling Solar Cell Degradation in Space:A Comparison of the NRL Displacement Damage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approaches.Progress in Photovoltaics:Research and Applicantions，2001(9):105.

［4］Wang R，Guo Z L，Zang X H，et al.5–20 MeV Proton Irradiation Effects on GaAs/Ge Solar Cell for Space Use.Solar Energy Materials and Solar Cells，2003，77:351–355.

［5］Wang R，Guo Z L，Wang G P.Low–Energy Proton Irradiation Effects on GaAs/Ge Solar Cells.Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90:1052–1057.

［6］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應及在軌性能退化預測方法.哈爾濱工業大學博士學位論文，2009.42－45.

［7］趙慧杰.低能質子和電子輻照GaAs/Ge太陽電池性能演化及損傷機理.博士學位論文，2008.47－50.

［8］Walters R J，Summers G P.Analysis and Modeling of the Radiation Response of Multijunction Space Solar Cells.Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialist Conference，2000.1092–1097.

［9］Mitsuru Imaizumi，Takeshi Ohshima.Radiation Effects in Solar Cells.Proc of SPIE，2013，8725:872515.

［10］Messenger S R，Burke E A，Walters R J，et al.Using SRIM to Calculate the Relative Damage Coefficients for Solar Cells.Progress in Photovoltaics:Research and Applicantions，2005，13:119－122.

［11］Pons D，Mircea A，Mitonneau A.Electron Traps in Irradiated GaAs:Comparison with Native Defects.Defects and Radiation Effects inSemiconductors.Inst Phys Conf Ser，1978，46(5):352－359.

［12］Bougoin J C，de Angelis N.Radiation－Induced Defects in Solar CellMaterials.Solar Energy Materials and Solar Cells，2001，66:467－477.

［13］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應及在軌性能退化預測方法.哈爾濱工業大學博士學位論文，2009.77－81.

［14］Zhang X，Hu J M，Wu Y Y，et al.Direct Observation of defects in triple－junction solar cell by optical deep－level tran-sient spectroscopy.Journal of Physics D:Applied Physics，2009，49:145401–145416.

［15］Lu Ming，Wang Rong，Yang Kui，et al.Photoluminesence analysis of electron irradiation－induced defects in GaAs/Ge solar cells.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2013，321:137–140.

［16］趙慧杰，何世禹，孫彥錚，等.100keV質子輻照對空間GaAsGe太陽電池光電效應的影響.物理學報，2009，58(1):404－410.

［17］Roshdy A.AbdelRassoul Analysis of Anomalies in Current–Voltage Characteristics of Silicon Solar Cells.R.A.Abdel-Rassoul/Renewable Energy，2001，23:409–416.

［18］Yahia A H，Wanlass M W，Coutts T J.Photovoltaic Specialists Conference.Conference Record of the Twentieth IEEE，1988.702－707.

［19］Cappelletti M A，Cedola AP，Peltzer E L，et al.Computational analysis of the maximum power point for GaAs sub－cells in InGaP/GaAs/Ge triple－junction spacesolar cells.Semiconductor Science and Technology，2014，29:115025–115031.

［20］孫永亮.GaAs/Ge太陽電池空間帶電粒子輻照損傷機理研究.哈爾濱師范大學，碩士學位論文，2013:14.

［21］胡建民.GaAs太陽電池空間粒子輻照效應及在軌性能退化預測方法.哈爾濱工業大學博士學位論文，2009.56－63.