質子輻照下高效太陽電池輸出特性及結構的優化研究

葛笑寒，張 磊

(1.三門峽職業技術學院智能制造學院，三門峽 472000；2.河南科技大學應用工程學院，三門峽 472000；3.沈陽飛機設計研究所，沈陽 100035)

0 引 言

影響太陽電池轉換效率的主要因素為光生載流子復合損耗和等效串聯電阻功率損耗[1]。近地軌道衛星供電系統中的高效單晶硅太陽電池會受到被地球磁場俘獲的低能質子輻照損傷的顯著影響[2]。為了保證空間供電系統長期可靠的工作，提高太陽電池抗質子輻照損傷的能力，需要結合空間質子輻照環境(輻照能量、輻照劑量等)，對太陽電池的結構參數進行精細的設計和優化。

目前實驗室中大多使用X射線和60Co γ射線電離輻照源，其輻照損傷機理為電離損傷，而質子輻照損傷機理為位移損傷，且輻照實驗周期長、成本高[2-3]。鑒于此，本文利用TCAD半導體器件仿真軟件中的輻照損傷模塊對空間低軌道衛星用高效插指背結背接觸(IBC)單晶硅太陽電池的質子輻照效應進行研究。截止目前，關于太陽電池輻照損傷的研究報道較多[4-5]，但針對質子輻照損傷對高效IBC太陽電池電學性能影響的研究報道較少。本文利用TCAD半導體器件仿真軟件，首先詳細分析了低能(1.8 keV)質子輻照劑量對高效IBC單晶硅太陽電池轉換效率的影響。然后，為準確評價低軌道星載太陽電池的抗輻照能力，同時給出在無質子輻照情況下，受主、施主復合中心密度和受主、施主陷阱密度對IBC太陽電池轉換效率的影響，通過轉換效率及其退化特點的對比，給出不同質子輻照劑量所對應的受主、施主復合中心密度和受主、施主陷阱密度。最后，以提高質子輻照條件下太陽電池的轉換效率為目標，在不同的質子輻照劑量情況下，詳細地分析了前表面場(FSF)結構和前表面浮空發射區結構(FFE)對IBC太陽電池電學性能的影響，并給出在一定的質子輻照劑量下，電池較適合采用的前表面結構及摻雜濃度。

1 太陽電池結構參數及模型選擇

圖1為IBC太陽電池的單元結構剖面圖，圖1(a)為采用前表面場情況，圖1(b)為采用浮空發射區情況。相比于地面應用的高效IBC太陽電池，其襯底電阻率和襯底厚度的選擇不同。由于在質子輻照環境中，隨著質子輻照劑量的增大，位移損傷導致電池內陷阱和復合中心密度增大[6-7]。因此，為降低襯底中光生載流子在輸運過程中的復合損耗，襯底厚度在滿足長波光吸收及衛星發射時機械應力要求的基礎上，應盡可能的減薄。由于太陽電池陣表面極易俘獲大量低能帶電粒子，使太陽電池陣表面產生高達幾千伏的靜電壓，如果靜電場放電，則可能造成太陽電池擊穿，或干擾星上的遙測系統[8]。因此，為提高太陽電池的可靠性，需要適當提高電池襯底電阻率。太陽電池結構的具體仿真參數如表1所示。

表1 太陽電池結構的仿真參數[6,9-10]

質子輻照過程將在IBC太陽電池中產生光生載流子的陷阱和復合中心，其對電池內少子壽命產生影響。質子輻照后太陽電池內少子壽命可表示為[6,11]：

(1)

(2)

其中：τp和τn分別空穴和電子壽命；NT為陷阱或復合中心密度；vth為載流子熱運動速度(2.3×107cm/s)；σp和σn分別為空穴和電子的俘獲界面。在仿真過程中，受主陷阱電子、空穴的俘獲截面分別為1×10-16cm2和1×10-14cm2，施主陷阱電子、空穴的俘獲截面分別為1×10-14cm2和1×10-16cm2。在仿真復合中心密度和陷阱密度對太陽電池轉換效率的影響過程中，假設復合中心和陷阱僅單獨存在，且陷阱和復合中心在N型單晶硅襯底中均勻分布，復合中心對電子和空穴的俘獲截面為1×10-16cm2，體復合中心距離導帶的間距為0.5 eV，能級簡并度為1。復合中心密度為變量，變化范圍為0～1×1018cm-3。受主陷阱電子俘獲截面為1×10-16cm2，受主陷阱空穴俘獲截面為1×10-14cm2，施主陷阱電子俘獲截面為1×10-14cm2，施主陷阱空穴俘獲截面為1×10-16cm2。

在質子輻照仿真過程中，質子輻照能量、輻照損傷因子及非電離能量損耗之間的關系參考文獻[12]和[13]的實驗結果。具有一定輻照能量的質子所產生的缺陷密度(NT)可表示為[12-13]：

NT=αD·EL·Dose

(3)

其中：αD表示輻照損傷因子，取為50；EL表示非電離能量損耗(NIEL)，低能質子能量為1.8 keV，EL為3.1；Dose表示質子輻照劑量，仿真中質子輻照劑量的范圍為105～1016cm-2。選擇與摻雜濃度、晶格溫度、電場強度相關的遷移率模型[14]，與溫度相關的俄歇(AUGER)復合模型以及與摻雜濃度相關的SRH復合模型[15]。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應和能帶簡并效應。模擬測試條件選擇為空間用太陽電池標準測試方法，即：25 ℃，AM0光譜。

2 仿真結果與討論

圖2為仿真得到的質子輻照劑量對太陽電池(采用前表面場結構)轉換效率的影響，同時給出在無質子輻照情況下，復合中心密度和陷阱密度對相同結構太陽電池轉換效率的影響。由圖2可見，在質子輻照條件下，當質子輻照劑量小于1×109cm-2時，隨著質子輻照劑量的增大，太陽電池轉換效率略有減小。而當輻照劑量高于1×109cm-2時，隨著輻照劑量的增大，太陽電池轉換效率隨之迅速減小。當輻照劑量達到1×1012cm-2時，若輻照劑量繼續增大，太陽電池幾乎不再具有光電轉換的能力。當質子輻照劑量為1×109cm-2時，太陽電池轉換效率為22.41%(無質子輻照時，轉換效率為22.59%)。當質子輻照劑量為1×1012cm-2時，太陽電池轉換效率為0.22%。

對于僅存在復合中心或陷阱的情況下，隨著復合中心密度或陷阱密度的增大，每種情況下太陽電池轉換效率的退化特點與僅存在質子輻照的情況相似。由于太陽電池的襯底為N型，單晶硅太陽電池作為雙極型光電器件，光生少子空穴對其輸出特性的影響尤為顯著。對于受主陷阱，由于其空穴的俘獲截面最大，其對少子空穴濃度的影響最大，因此，在無質子輻照情況下，僅存在受主陷阱時，其對IBC單晶硅太陽電池轉換效率的影響最大，即在較低的陷阱密度下(NT=1×1011cm-3)，電池光電轉換效率就出現了迅速降低的現象。由此表明，太陽電池轉換效率受到質子輻照或復合中心、陷阱作用后降低的關鍵因素為少子空穴濃度的降低。當質子輻照劑量為1×1010cm-2時，等效于產生密度為5×1012cm-3的受主、施主復合中心，等效于產生密度為3×1012cm-3的施主陷阱，等效于產生密度為1×1012cm-3的受主陷阱。當質子輻照劑量為1×1011cm-2時，等效于產生密度為1×1014cm-3的受主、施主復合中心，等效于產生密度為8×1013cm-3的施主陷阱，等效于產生密度為9×1012cm-3的受主陷阱。

前表面場(FSF)結構和浮空發射區(FFE)結構是目前高效IBC單晶硅太陽電池可采用的兩種電學增效結構[16-18]。對于FSF結構，電池上表面N+/N高低結對襯底光生少子空穴產生一定的反射作用，降低了光生少子空穴在電池上表面的復合損耗，且FSF在一定程度上降低了電池串聯電阻損耗，有利于電池轉換效率的提高。對于FFE結構，FFE結構在電池表面形成P+/N結，P型FFE將向襯底中注入一定濃度的少子空穴，在一定程度上增大襯底中的少子空穴濃度。FSF結構摻雜濃度越高，對襯底少子空穴的反射作用越強，FFE結構摻雜濃度越高，少子空穴的注射效率越高。但隨著FSF結構和FFE結構摻雜濃度增大，也會增大其內部光生載流子的復合損耗。

圖3～5為仿真得到的N+前表面場(FSF)和P+前表面浮空發射區(FFE)摻雜濃度對不同質子輻照條件下太陽電池電學性能的影響。其中，質子輻照劑量為0 cm-2表示地面應用的情況。由圖3(a)短路電流密度(JSC)曲線可見：當質子輻照劑量一定時，對于FSF結構，隨著FSF摻雜濃度增大，JSC隨之單調減小。當質子輻照劑量一定時，對于FFE結構，隨著FFE摻雜濃度增大，JSC隨之先增大后減小。隨著質子輻照劑量的增大，峰值JSC對應的FFE摻雜濃度增大。相比于采用FSF結構的情況，采用FFE結構情況下的JSC較高。在不同的輻照條件下，FSF結構和FFE結構可在很大程度改善IBC太陽電池的JSC，如表2所示。相比于FFE結構，在較高質子輻照劑量情況下，FSF結構對JSC提高的幅度下降較明顯。圖3(b)為FFE結構和FSF結構對應的JSC差值(△JSC)，由圖3(b)可見：在不同的質子輻照劑量情況下，FFE結構與FSF結構對應的△JSC均為正值，表明FFE結構在改善不同質子輻照條件下的JSC方面優勢更加明顯。當質子輻照劑量一定時，隨著摻雜濃度的增大，△JSC隨之非線性增大。當摻雜濃度一定時，質子輻照劑量越大，△JSC越大。表明采用摻雜濃度經優化的FFE結構更有利于改善高質子輻照劑量環境中太陽電池的JSC。

表2 無前表面結構情況下的太陽電池電學性能

由圖4(a)開路電壓曲線(VOC)可見：對于FSF結構，不同質子輻照劑量下太陽電池VOC均呈現先增大后減小的變化特點。對于FFE結構，不同質子輻照條件下，峰值VOC對應的FFE結構摻雜濃度略低于FSF情況。在不同的輻照條件下，FSF結構和FFE結構可在很大程度改善IBC太陽電池VOC，且摻雜濃度經優化的FSF結構在改善太陽電池VOC方面的效果更好(見表2)。圖4(b)為FFE結構與FSF結構對應的VOC差值(△VOC)，隨著質子輻照劑量的增大，△VOC為負值所對應的前表面結構的摻雜濃度范圍增大，表明質子輻照劑量越高，FSF結構在改善電池VOC方面的優勢越明顯。

由圖5(a)轉換效率(Eff)曲線可見：當質子輻照劑量一定時，隨著摻雜濃度的增大，采用FSF結構和FFE結構的太陽電池，Eff均隨之先增大后減小，且Eff均高于無前表面結構的情況(見表2)。對于FSF和FFE結構，隨著質子輻照劑量的增大，峰值Eff對應的FSF和FFE的摻雜濃度均增大。對于FSF結構，在無質子輻照情況下，峰值Eff(22.61%)對應的FSF摻雜濃度為9×1018cm-3；在質子輻照劑量為1×1010cm-2時，峰值Eff(21.01%)對應的FSF摻雜濃度為1.1×1019cm-3；在質子輻照劑量為1×1011cm-2時，峰值Eff(11.94%)對應的FSF摻雜濃度為1.2×1019cm-3。對于FFE結構，在無質子輻照情況下，峰值Eff(22.56%)對應的FFE摻雜濃度為8×1018cm-3；在質子輻照劑量為1×1010cm-2時，峰值Eff(20.98%)對應的FFE摻雜濃度為9×1018cm-3；在質子輻照劑量為1×1011cm-2時，峰值Eff(12.38%)對應的FFE摻雜濃度為2×1019cm-3。當質子輻照劑量為0 cm-2或輻照劑量為1×1010cm-2時，僅當前表面結構摻雜濃度較高(Cs>3×1019cm-3)時，FFE結構和FSF結構情況下的Eff差別較顯著，而較低摻雜濃度情況下的FFE和FSF結構對Eff的改善效果差別較小。由圖5(b)可見：對于質子輻照劑量為1×10-11cm-2的情況，FFE結構對應的Eff均明顯優于FSF結構的情況(轉換效率差值△Eff范圍為0.12%～0.6%)，表明在高質子輻照劑量條件下，采用FFE結構可更有效改善空間IBC單晶硅太陽電池的轉換效率。本文IBC太陽電池的低能質子輻照效應仿真結果與參考文獻[6]的結果基本一致，證明本文模型的有效性。

3 結 論

本文詳細分析了低能質子輻照劑量對低軌道衛星用高效IBC單晶硅太陽電池轉換效率的影響。仿真結果表明：太陽電池轉換效率受到質子輻照或復合中心、陷阱作用后降低的原因為光生少子空穴濃度的降低。采用摻雜濃度經優化的FFE結構更有利于改善高質子輻照劑量環境中太陽電池的短路電流密度。摻雜濃度經優化的FSF結構在改善太陽電池VOC方面的效果更好，質子輻照劑量越高，FSF結構在改善電池VOC方面的優勢越明顯。對于不同的質子輻照劑量，存在最優的摻雜濃度，使得FFE和FSF結構情況下太陽電池Eff最高。在質子輻照劑量為0 cm-2和1×1010cm-2時，FFE和FSF結構在提高太陽電池Eff方面的差別較小，采用FFE結構情況下的峰值Eff略低于采用FSF結構情況下的峰值Eff。在質子輻照劑量為1×1011cm-2時，采用FFE結構對于IBC太陽電池轉換效率的改善效果明顯優于采用FSF結構的情況。