電子輻照GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池短路電流退化機制研究*

齊佳紅，胡建民

(哈爾濱師范大學)

0 引言

航天器在軌服役期間要經歷非常惡劣的空間環境.GaAs太陽電池因具備高光電轉換效率和抗輻照能力而被廣泛應用于航天領域.為了滿足大功率、長壽命航天器的需要，GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池逐漸成為空間電池的主流.

目前對GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池輻照效應機理的研究尚處于探索階段.王榮［1］對GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池低能質子的輻照效應進行研究，研究結果說明隨著質子能量增大，太陽電池的輻照損傷效應越小.胡建民［2］對電子輻照效應進行研究，研究結果說明隨著電子能量增大，輻照損傷效應越大.這些研究只對帶電粒子輻照后太陽電池光譜響應進行分析，從而得出輻照損傷效應的一般規律，并未明確給出電池輻照損傷效應的微觀解釋.該文通過PC1D［3］模擬1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池光譜響應建立少子擴散長度隨輻照注量的變化關系，從而說明短路電流退化的微觀機制.這一研究不僅為GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池在軌行為評價提供理論基礎，而且為延長太陽電池在軌服役壽命提供了理論指導.

1 實驗

實驗樣品選用GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池，用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)制備，面積為3×4 cm2，其結構參數如圖1所示.

試驗選擇ELV－8型電子加速器對GaInP/GaAs/Ge太陽電池進行1 MeV電子輻照試驗.根據地面等效模擬加速試驗的等效模擬區間取電子通量為1×1011cm－2s－1.參照太陽電池國際測試標準［4］，在25 ℃和AM0(輻照功率為1367 Wm－2)太陽光譜輻照條件下進行I－V特性測試.GaInP/GaAs/Ge單結電池開路電壓Voc=2590 mV、短路電流Isc=200 mA、最大功率Pmax=437.3 mW和填充因子FF=83%.

2 結果與討論

2.1 光譜響應分析

應用PC1D程序模擬1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池光譜響應曲線如圖2所示.

1 MeV輻照后GaInP頂電池光譜響應幾乎沒有發生衰減，GaAs中間電池發生明顯衰降，這說明GaInP比GaAs具有更強的抗輻照能力.這是因為 InP中的遷移能VIn(0.26 eV)和VP(1.2 eV)小于 GaAs的遷移能VGa(1.79 eV)和VAs(1.48 eV)，所以 GaInP比GaAs抗輻照能力強［5］.當電子注量從 1 ×1015cm－2增加到3 ×1015cm－2，GaInP/GaAs/Ge 太陽電池中間 GaAs電池光譜響應在700～900 nm長波波段出現明顯衰降.外量子效率衰降的原因是電子輻照造成GaAs太陽電池基區和發射區少子擴散長度減小所致.

圖1 GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池結構示意圖

圖2 電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池的外量子效率

2.2 伏安特性與載流子輸運機制分析

電子輻照后GaInP電池電學性能沒有發生明顯退化，而GaAs中間電池的短路電流發生明顯衰降，這使GaInP頂電池和GaAs中間電池電流失配，造成GaInP/GaAs/Ge太陽電池電學性能發生衰降［6］.圖 3可見，1 MeV電子輻照后GaInP/GaAs/Ge太陽電池短路電流退化幅度均隨入射電子注量增加而增大，這與太陽電池內部載流子的輸運狀態和性質密切相關.

圖3 電子輻照后GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池的歸一化電流

少子擴散長度隨入射粒子注量的變化關系式為［7］

式中L0和L分別為輻照前、后的少數載流子擴散長度;φ為輻照注量;KL為少子擴散長度損傷系數，他反映了單位輻照注量下少子擴散長度的相對變化.

通過PC1D程序擬合得到1 MeV電子輻照后GaAs中間電池中少子擴散長度隨電子注量變化的關系曲線，如圖4所示1 MeV電子輻照后GaAs中間電池中少子擴散長度隨電子注量的增加而減小.由(1)式計算得到1 MeV電子輻照后GaAs太陽電池的少子擴散長度損傷系數為2.42 ×10－7.

圖4 電子輻照后GaAs中間電池的少數載流子擴散長度隨電子注量變化的關系曲線

3 結束語

該文研究不同能量電子輻照下GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池載流子的運輸機制.研究結果表明由于GaAs中間電池短路電流發生明顯退化，GaInP頂電池和GaAs中間電池電流失配導致GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池短路電流退化.隨著電子輻照注量增加，少數載流子擴散損傷系數隨輻照電子能量增加而增大，這是GaAs中間電池短路電流隨入射電子注量增大發生退化及退化幅度隨電子能量增大而增大的根本原因.少子擴散長度縮短是造成GaInP/GaAs/Ge太陽電池短路電流發生退化的內在物理機制.

［1］王榮，劉運宏，孫旭芳，等.國產高效GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池的低能質子輻照效應.半導體學報，2007，28(10):1599－1602.

［2］胡建民，吳宜勇，錢勇，等.GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池的電子輻照損傷效應.哈爾濱工業大學博士論文，2009.5051－5055.

［3］王景宵，杜永超，劉春明.太陽電池模擬軟件–PC1D.21世紀太陽能新技術－2003年中國太陽能學會學術年會論文集，2003.63–65.

［4］ASTM Standard E 2236－05a，Standard Test Methods for Measurement of Electrical Performance and Spectral Response of Nonconcentrator Multijunction Photovoltaic Cells and Modules:http://www.astm.org.

［5］Dharmarasu N，Yamaguchi M，Khan A.High－Radiation－Resistant InGaP/InGaAs/P and InGaAs Solar Cells for Multijuction Solar Cells.Applied Physics，2001，79(15):2399–2401.

［6］牛振紅，郭旗，任迪遠，等.一種國產GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池的電子輻照特性.核技術，2007，30(1):37－39.

［7］劉恩科.光電池及其應用.北京:科學出版社，1989.109－111.