高注量1 MeV電子輻照下InGaAs單結太陽電池退化規律與機制

慎小寶， 李豫東， 瑪麗婭·黑尼， 趙曉凡， 莫敏·賽來， 許 焱,3,雷琪琪， 艾爾肯·阿不都瓦衣提， 郭 旗， 陸書龍

(1. 中國科學院 特殊環境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院 新疆理化技術研究所， 新疆 烏魯木齊 830011;2. 中國科學院大學， 北京 100049; 3. 新疆大學 物理科學與技術學院， 新疆 烏魯木齊 830046;4. 中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所， 江蘇 蘇州 215123)

1 引 言

太陽電池作為空間飛行器的直接能源提供者，其抗輻射性能的優劣直接影響航天器的在軌服役壽命。為保證空間飛行器長期穩定可靠地工作，研發具備高轉換效率、高穩定性以及優異抗輻射性能的空間太陽電池具有重要意義。在過去的十年中，高效率(η=30%,在AM0,1sun)晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池一直作為航天器和衛星的主要供電來源[1]，但是進一步提高三結GaInP/GaAs/Ge太陽電池的光電轉換效率具有很大難度[2]。目前，采用晶片鍵合技術制備的GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結太陽電池不僅解決了多結電池中普遍存在的晶格失配問題，而且與其他新型結構電池相比，光電轉換效率高、成本低，有望成為當前空間太陽電池發展的主要方向[3-8]。

目前國內外對空間用GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池的輻射效應進行了廣泛研究[9-12]，但是關于鍵合四結太陽電池輻射效應的研究鮮有報道。多結太陽電池結構復雜，再加上鍵合新技術的引用，使鍵合多結太陽電池的輻射效應研究變得更加復雜。目前，尚未發現國外關于鍵合四結太陽電池輻射效應的研究報道。國內，代盼等[13]對GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結太陽電池進行了1 MeV電子輻照實驗，研究發現InGaAsP和InGaAs兩個子電池的性能退化是導致鍵合四結電池性能下降的主要原因。基于該結果，趙曉凡等[1]對GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結電池中的子電池InGaAsP/InGaAs雙結電池部分進行了1 MeV電子輻照實驗研究，得到InGaAs子電池性能的退化是導致InGaAsP/InGaAs雙結電池性能退化的主要原因。因此，InGaAs子電池的抗輻射性能是影響鍵合四結太陽電池整體抗輻射性能的關鍵因素。

應用于復雜空間輻射環境(電子和質子等粒子)中的太陽電池，預計會受到較高注量的粒子輻射(等效于高達1 MeV電子1×1016e/cm2的輻射水平)[14]。目前對于GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs鍵合四結電池輻射效應的各項研究都只限于注量低于1×1016e/cm2的電子實驗，國內外關于InGaAs單結電池的高注量輻照試驗未曾報道，尚不明確InGaAs單結電池在1 MeV電子高注量輻照下的退化規律與機制。因此，對InGaAs單結電池開展地面高注量輻照模擬實驗，對研究鍵合四結太陽電池輻射效應和加固技術具有重要意義。

本文對鍵合四結電池中In0.53Ga0.47As子電池進行了高注量1 MeV電子輻照實驗，并結合Mulassis (Multi-layered shielding simulation software)模擬仿真計算方法和I-V曲線數值擬合方法對電池性能的退化機制進行了分析研究。并詳細分析了光生電流Iph、反向飽和電流I0、理想因子n、并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs對電池性能退化造成的影響。該研究為進一步優化In0.53Ga0.47As子電池結構和提高鍵合四結太陽電池抗輻射性能提供了理論依據。

2 實驗方法

試驗樣品采用MBE(Molecular beam epitaxy)方法制備的In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結太陽電池，電池面積為2.5 mm×2.5 mm，其結構和透射電鏡圖(TEM)如圖1所示。n型摻雜源為硅，p型摻雜源為硼。窗口層采用n+-lnP材料，以減少前表面復合；發射區為摻雜濃度1×1018cm-3的n+-In0.53Ga0.47As。基區為摻雜濃度1×1017cm-3的p+-In0.53Ga0.47As；背表面場選用(BSF)p+-lnP材料，以減少背表面復合；襯底選取p++-lnP材料；電池表面與電極接觸面均為歐姆接觸，以減少表面復合。

圖1 (a)In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結電池結構;(b)In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)電池的透射電鏡圖。

Fig.1 (a) Structure of In0.53Ga0.47As (Eg=0.74 eV) single junction solar cell. (b) TEM image of In0.53-Ga0.47As (Eg=0.74 eV) single junction solar cell.

輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所ELV-8型電子加速器上完成，輻照過程保持常溫((25±5)℃)。電子能量選取為1 MeV，注量率選用1×1011e/(cm2·s)，輻照注量點選取如表1所示。分別測試了輻照前后樣品的I-V特性參數[15](開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率Pmax、填充因子FF)和光譜響應EQE參數。I-V特性參數測試在AM0和常溫環境下進行。光譜響應測試條件：常溫，波長掃描范圍為800～1 800 nm。

本文運用Mulassis仿真程序計算了不同注量的1 MeV電子在In0.53Ga0.47As單結太陽電池中產生的位移損傷劑量(DDD)D，并運用Mulassis仿真對In0.53Ga0.47As太陽電池的輻照退化機理進行了分析研究。

表1 采用Mulassis仿真得到每個注量點對應的D

Tab.1Dcorresponding to each fluence point calculated by Mulassis simulation

1 MeV electron fluence/(e·cm-2)D/(MeV·g-1)(Mulassis)1×10153.19×10105×10151.59×10118×10152.55×10112×10166.38×10114×10161.28×10125×10161.59×10126×10161.91×1012

3 結果與討論

3.1 仿真結果

位移損傷劑量方法是用于預測空間太陽電池性能退化的有效分析手段，通常采用D表示帶電粒子在太陽電池中產生的輻射損傷，如式(1)所示[16]：

D=ENIEL×Φ，

(1)

其中，Φ是粒子注量，ENIEL是粒子在電池材料中產生的非電離能量損失(Non-ionizing energy loss，NIEL)。如表1所示，Mulassis仿真結果顯示D隨注量的增加而增加。

圖2為1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池中產生的NIEL值隨著電子入射深度的變化關系(通過Mulassis仿真計算得到)。從圖中可以看出：在電池活性區(發射區、結區、基區)內，NIEL值隨著電子入射深度的增加而增大，對應的位移損傷劑量也隨著電子入射深度的增加而增加。這是因為，電池在1 MeV電子輻照下，入射到電池活性區內的高能電子與材料中的晶格原子相互作用，大量反沖原子的產生導致了晶格缺陷數量隨著入射深度的增加而進一步上升[17]。

圖2 1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池中產生的NIEL值隨著電子入射深度的變化關系

Fig.2 NIEL as a function of 1 MeV electron particle penetration depth in the In0.53Ga0.47As solar cell

3.2 電學性能結果分析

太陽電池I-V特性曲線是衡量太陽電池性能的重要依據。不僅可以從I-V特性曲線直接獲得Voc、Isc、Pmax和FF等重要參數，還可以通過太陽電池理論模型提取光生電流Iph、反向飽和電流I0、理想因子n、并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs[18]。圖3為In0.53Ga0.47As太陽電池的I-V曲線隨1 MeV電子輻照注量的變化情況。太陽電池單二極管等效電路模型如下：

(2)

其中VT是熱電壓。當注量大于4×1016e/cm2時，I-V曲線不再滿足單二極管等效電路模型，所以只對注量小于4×1016e/cm2的I-V曲線進行了擬合，擬合結果如圖3所示。可以看出，擬合結果與實驗結果吻合較好，Iph、I0、n、Rsh和Rs提取結果如表2所示。從表2中可以看出，Iph和Rsh隨著輻照注量的增加而減小，I0、n和Rs隨著輻照注量的增加而增加。表3為1 MeV輻照下In0.53Ga0.47As太陽電池的Voc、Isc、Pmax、FF和η及其剩余因子(RF)隨輻照注量的變化情況。

圖3 In0.53Ga0.47As太陽電池的I-V曲線隨1 MeV電子輻照注量的變化,實線是實驗結果,符號是擬合結果。

Fig.3I-Vcharacteristics of 1 MeV electron irradiated In0.53-Ga0.47As solar cell with different fluences, solid lines are measured curves and symbols are simulating results.

表2 從I-V曲線中提取的Iph、I0、n、Rsh、Rs隨輻照注量的變化

Tab.2 Extract the parameters ofIph,I0,n,Rsh,RsfromI-Vcharacteristics of 1 MeV electron irradiated In0.53Ga0.47As solar cell with different fluences

1 MeV electronfluence/ (e·cm-2)Iph/mAI0/AnRs/ΩRsh/Ω03.861×10-61.1641.35 0001×10153.613.7×10-61.1651.3013 8005×10153.2659.8×10-61.191.43 5008×10153.081.55×10-51.1911.412 5002×10162.881.1×10-41.21.432 300

表3 1 MeV輻照下In0.53Ga0.47As太陽電池的Voc、Isc、Pmax、FF、η及其剩余因子(RF)隨輻照注量的變化情況

Tab.3 Values and remaining factor(RF) ofVoc,Isc,Pmax, FF andηof In0.53Ga0.47As solar cell irradiated by 1 MeV electron with different fluences

1MeV electron fluence/ (e·cm-2)Voc/VRFIsc/mARFPm ax/mWRFFFRFη/%RF00.24313.86210.61410.65517.25511×10150.2050.8463.5730.9250.4570.7440.6230.9515.4010.7445×10150.1770.7313.2640.8450.3280.5340.5660.8643.8740.5348×10150.1590.6543.0660.7940.2740.4470.5640.8613.2440.4472×10160.0930.3852.8610.7410.1310.2140.4910.7501.5510.2144×10160.0190.0771.8540.4800.0100.0170.2990.4570.1230.0175×10160.0090.0390.7380.1910.0010.0010.1160.1760.0000.0016×1016000.1900.049000000

圖4是In0.53Ga0.47As太陽電池在1 MeV電子輻照下，Voc、Isc、Pmax與FF的歸一化值隨輻照注量增加的變化情況。從圖中可以看出Voc、Isc、Pmax和FF均隨著輻照注量的增加發生了不同程度的退化，Voc的退化程度明顯大于Isc，其中Pmax退化最為嚴重。注量達到4×1016e/cm2時，電池的I-V曲線退化趨勢呈斜線，效率退化到原來的1.7%，此時太陽電池已經不能再為負載提供有效的電能，可認為電池失效。

圖4 In0.53Ga0.47As單結太陽電池的歸一化Voc、Isc、Pmax和FF隨電子輻照注量的變化曲線。

Fig.4 NormalizedVoc,Isc,Pmaxand FF values of In0.53-Ga0.47As solar cell with the increase of electron irradiation fluence.

從仿真結果圖2可以看出，輻照產生的位移損傷缺陷分布于整個電池活性區，并且隨著輻照注量的增加，產生于電池活性區內的位移損傷缺陷密度越大，電池的相關電參數Voc、Isc、Pmax、FF退化就越嚴重。電池樣品在1 MeV電子輻照下，入射電子與晶格原子相互作用，通過庫倫散射碰撞將能量傳遞給晶格原子，使原子發生位移，從而在電池活性區內產生大量位移損傷缺陷，這些輻照引入的位移損傷缺陷在太陽電池活性區內起著復合、產生、陷阱或散射中心的作用，影響了載流子的產生和輸運，從而導致電池的電參數發生退化[19-20]。

電池在電子注量低于1×1016e/cm2的輻照條件下，Isc的退化主要是電子輻照在電池活性區內引入了位移損傷缺陷，這些缺陷縮短了光生少數載流子的擴散長度，從而使其收集效率降低所致[1]。Φ越大，產生的位移損傷缺陷越多，Iph和Isc的退化就越嚴重，原理如圖5所示。

圖5展示了光生載流子在電池內部的產生、傳輸、分離、缺陷捕獲4個過程。 從圖中可以看到，輻照引入的缺陷作為缺陷中心會捕獲光生載流子，影響光生載流子的輸運，降低載流子的有效收集，導致Iph和Isc的退化。

圖5 光生少數載流子在In0.53Ga0.47As電池內部輸運示意圖

Fig.5 Schematic diagram of the transport of photo-generated minority carriers inside the In0.53Ga0.47As solar cell

當電池在電子注量大于1×1016e/cm2的高注量條件下，不僅要考慮位移損傷缺陷引起的光生少數載流子擴散長度減小對Isc退化造成的影響，還需考慮位移損傷缺陷引起的載流子去除效應對Isc退化造成的影響[21]。載流子去除效應會引起多數載流子濃度降低，導致內建電場發生退化和電池的Rs增加，影響光生少數載流子的收集，導致Iph和Isc發生退化。

太陽電池內建電場VD與多數載流子濃度nn0和pp0的關系如下[22]：

(3)

其中，KB為玻爾茲曼常數，T為溫度，q為電荷量，ni為本征摻雜濃度。

Voc的變化主要受I0和Iph的影響，如公式(4)、(5)所示[22]：

(4)

(5)

JS為反向飽和電流密度，與I0成正比；Ln為p型基區的少數載流子擴散長度，Lp為n型發射區的少數載流子擴散長度。由輻照引起的光生少數載流子擴散長度的減小和載流子去除效應，引起了表2中I0的增加和Iph的減小，最終導致了Voc的退化。

如表2所示，Rs隨輻照注量的增加而增大，這是由于輻照引入的位移損傷缺陷產生的載流子去除效應所致[23]。基于等效電路單二極管模型，在電池處于短路電流的情況下，光生電流在串聯電阻上的壓降使得二極管處于正向偏壓條件下，此時產生的暗電流方向與光生電流方向相反，抵消了部分光生電流。所以隨著注量的增加，Rs增大，引起暗電流也隨之增大，導致了電池的Isc減小[10]。Rsh隨輻照注量的增加而減小，Rsh的減小是因為輻照引入的缺陷增大了空間電荷區兩側電子和空穴的復合幾率，使漏電流增大所致，Rsh的減小會導致Voc減小[24]。n值的增加是由于輻照引入的缺陷引起電池活性區內復合類型的增加所致。填充因子FF決定了太陽電池的輸出功率水平，電池Rs增大和Rsh減小是導致FF退化的主要原因[25]。由于Pmax=FF×Isc×Voc，因此Voc、Isc、FF的退化直接導致了最大功率Pmax的退化。

3.3 光譜響應測試結果分析

圖6是In0.53Ga0.47As太陽電池光譜響應EQE隨1 MeV電子輻照注量增加的變化情況，從圖中可以看出，EQE隨著輻照注量的增加而不斷退化。在注量低于4×1016e/cm2時，長波區的退化情況明顯比短波區域嚴重，其中一個原因是，在電池活性區內，NIEL值隨著電子入射深度的增加而增加，所產生的位移損傷缺陷密度也隨著電子入射深度的增加而增大；其次，基區厚度遠大于發射區厚度，所以產生于基區的位移損傷缺陷密度也遠大于發射區。較高的位移損傷缺陷密度，增加了光生少數載流子的復合幾率，降低了載流子的有效收集。以上兩個原因導致了在注量低于4×1016e/cm2的條件下，長波區退化程度大于短波區的現象。注量大于4×1016e/cm2之后，EQE在整個電池光譜區域退化均非常嚴重，因此長波區域的退化程度與短波區域基本相同。當注量達到6×1016e/cm2之后，EQE基本為零，光電轉化效率為零，電池徹底失效。

圖6 In0.53Ga0.47As電池EQE隨輻照注量的變化

Fig.6 EQE of In0.53Ga0.47As solar cell irradiated by 1 MeV electron

4 結 論

本文對鍵合GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs四結太陽電池的子電池In0.53Ga0.47As(Eg=0.74 eV)單結電池進行了高注量1 MeV電子輻照實驗，并結合Mulassis模擬仿真程序對1 MeV電子在In0.53Ga0.47As太陽電池中產生的位移損傷情況進行了分析。結果表明，隨著電子輻照注量的增加，輻照在電池內部產生的位移損傷越大，電池性能退化越嚴重。1 MeV電子在In0.53Ga0.47As電池活性區內產生的NIEL值隨著入射深度的增加而增加；電池的Voc、Isc、Pmax和FF都發生了不同程度的退化，其中Voc的退化程度明顯大于Isc，Pmax退化程度最大；在注量小于4×1016e/cm2時，電池的光譜響應在長波區域退化程度明顯比短波區域退化嚴重；注量大于4×1016e/cm2之后，電池的I-V曲線退化趨勢呈斜線，效率退化到原來的1.7%以下，此時EQE在整個電池光譜區域退化均非常嚴重；當注量達到6×1016e/cm2時，電池的光電轉換效率基本為零，電池完全失效。擬合結果分析表明，在電子輻照下，Iph和Rsh的減小以及n、I0和Rs的增加，導致了電池性能的退化。In0.53Ga0.47As電池性能的退化主要是由于輻照引起的光生少數載流子擴散長度減小和載流子去除效應所致。因此，進一步優化鍵合四結電池中的子電池InGaAs的結構、提高其制備工藝對新一代空間太陽電池的發展具有重要意義。