GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV質(zhì)子位移輻照損傷效應(yīng)實驗研究

王祖軍,尹利元,王興鴻,張 琦,唐 寧,郭曉強,盛江坤,緱石龍,晏石興,李傳洲

(1.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國重點實驗室,西北核技術(shù)研究所,陜西 西安 710024;2.蘭州大學 核科學與技術(shù)學院,甘肅 蘭州 730000;3.西安高科技研究所,陜西 西安 710025;4.中國電子科技集團公司第十八研究所,天津 300384;5.湘潭大學 材料科學與工程學院,湖南 湘潭 411105)

太陽電池能為在軌運行的航天器提供長期、穩(wěn)定的電源,是航天器的重要部件。GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池由GaInP頂電池、GaAs中電池、Ge底電池及兩個隧穿結(jié)共同組成。與傳統(tǒng)的Si和GaAs單結(jié)太陽電池相比,其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高、壽命長、小型輕質(zhì)、光電轉(zhuǎn)換效率高、光吸收系數(shù)高等優(yōu)點,目前已成為空間電源系統(tǒng)的核心元器件,廣泛應(yīng)用于航天器的電源系統(tǒng)[1]。基于工藝成熟度、性價比、可靠性等諸多因素綜合考量,2002年后國內(nèi)外航天器空間電源系統(tǒng)的核心元器件主要采用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池[2-4]。

鑒于太陽電池長期在軌運行會遭受空間輻射損傷的影響,空間環(huán)境中的質(zhì)子、電子輻照損傷會導致太陽電池性能參數(shù)衰降,嚴重時甚至導致航天器供電系統(tǒng)功能失效。因此,GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的輻照損傷效應(yīng)問題備受關(guān)注。近年來,國內(nèi)外不同研究團隊對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池開展了大量的輻照實驗,包括電子[5-7]、質(zhì)子[8-10]、α粒子[11]、重離子[12]、γ射線[13]、中子[1,13]等輻照,得到了輻射粒子或射線輻照誘發(fā)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池輻射敏感參數(shù)衰降的實驗規(guī)律,為了解和掌握GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池對輻照損傷敏感度和抗輻射能力評估提供了實驗數(shù)據(jù)支撐。

質(zhì)子輻照三結(jié)太陽電池時對其造成的非電離能損遠大于電子[14],同時重離子等其他空間粒子在空間環(huán)境中通量太低,因此質(zhì)子對電池的輻照損傷成為研究熱點。國內(nèi)外多個研究團隊開展了GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)研究[5,8-10]。2002年,Sharps等[5]開展了商用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的50、100、200、400 keV,1、2、10 MeV質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)實驗,結(jié)果表明,該三結(jié)太陽電池的開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、最大輸出功率(Pm)的相對損傷因子(RDC)在質(zhì)子能量為200 keV時最大,當質(zhì)子能量大于200 keV時,能量越高,RDC越小。2007年,王榮等[8]開展了國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池0.28、0.62、2.80 MeV質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)實驗,輻照注量分別為1×1010、1×1011、1×1012、1×1013cm-2。在AM0和25 ℃條件下的測試結(jié)果表明:相同能量的質(zhì)子輻照時,該電池的Voc、Isc、Pm衰降程度均隨輻照注量的增大而增大;相同注量的質(zhì)子輻照時,0.28 MeV質(zhì)子引起電池的Voc、Isc、Pm的衰降幅度均最大,2.80 MeV質(zhì)子引起電池的Voc、Isc、Pm的衰降幅度最小;且隨著輻照注量的增加,Isc的衰降幅度大于Voc;GaAs中電池的光譜響應(yīng)衰降程度在3個子電池中最嚴重。2013年,Maximenko等[9]研究了GaInP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽電池在3 MeV質(zhì)子輻照下的損傷效應(yīng),輻照注量范圍為1×1011～1.0×1015cm-2。在AM0和25 ℃條件下進行的該電池的伏安特性曲線測試結(jié)果表明:該三結(jié)電池的Voc、Isc、Pm衰降幅度均隨輻照注量的增大而增大。2021年,張延清等[10]開展了柔性倒置贗型GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的1、3、5 MeV質(zhì)子輻照實驗研究,最大輻照注量為5×1013cm-2,在AM0和25 ℃條件下的測試結(jié)果表明,在相同的輻照注量下,在該輻照實驗的質(zhì)子能量范圍內(nèi),質(zhì)子能量越低,輻射敏感參數(shù)衰降越嚴重。

然而,盡管國內(nèi)外均開展了大量的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池質(zhì)子輻照實驗研究,鑒于早期高能質(zhì)子源較少,質(zhì)子輻照實驗的能量段主要集中在keV量級及1～10 MeV范圍左右,鮮有關(guān)于GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池高能質(zhì)子輻照實驗研究的報道。因此,本文主要聚焦GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV高能質(zhì)子位移輻照損傷,為開展不同能量質(zhì)子輻照誘發(fā)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池性能退化提供高能質(zhì)子輻照實驗數(shù)據(jù)。

本文主要以國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池為研究對象,通過開展100 MeV質(zhì)子輻照實驗,深入分析質(zhì)子位移損傷誘發(fā)Voc、Isc、Pm、光電轉(zhuǎn)換效率(Eff)等輻射敏感參數(shù)的退化規(guī)律和GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的輻照損傷機理。

1 輻照實驗

本文輻照所用樣品為國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池,分別采用GaInP、GaAs和Ge作為頂電池、中電池和底電池的材料。典型GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1所示,三結(jié)太陽電池中各子電池主要由窗口層(Window)、發(fā)射區(qū)(Emitter)、基區(qū)(Base)和背表面場(BSF)4部分組成。各子電池之間通過具有高摻雜濃度的不同PN型的隧穿結(jié)連接,其作用主要是增加相鄰子電池之間電子-空穴對的透過概率,降低子電池之間反偏的影響。圖2為本文所用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池實物照片。

圖1 典型GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Structure of typical GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells

圖2 國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池實物照片F(xiàn)ig.2 Physical picture of domestic GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells

GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的質(zhì)子輻照實驗在西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(XiPAF)上進行,輻照質(zhì)子束流能量為100 MeV,輻照注量率為2×108cm-2·s-1,輻照注量分別為1×1011、5×1011、1×1012、2×1012cm-2。輻照期間器件處于不加偏置狀態(tài),不加偏置電壓的樣品所有引腳懸空。在AM0和25 ℃條件下,對質(zhì)子輻照前后均開展GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池輻射敏感參數(shù)測試,測試方法參考《航天用太陽電池電性能測試方法》(GB/T 6494—2017)中的測試要求。圖3為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV質(zhì)子輻照實驗現(xiàn)場。

圖3 GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV質(zhì)子輻照實驗現(xiàn)場Fig.3 Experimental setup for GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells irradiated by 100 MeV protons

2 結(jié)果與分析

為分析不同注量下100 MeV質(zhì)子對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池電學參數(shù)造成的損傷,本文應(yīng)用Geant4軟件對100 MeV質(zhì)子在GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池中的輸運情況進行模擬。通過對輸運過程中粒子與材料相互作用過程的判斷,提取100 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的初級反沖原子(PKA)信息,通過跟蹤PKA的位置信息得到質(zhì)子在太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的位置[15]。100 MeV質(zhì)子在GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的各子電池中產(chǎn)生的PKA隨深度的分布如圖4所示。從圖4可見,質(zhì)子在3個子電池內(nèi)部的PKA產(chǎn)額隨入射深度近似呈均勻分布,即100 MeV質(zhì)子對各子電池均造成較均勻的位移損傷。

圖4 100 MeV質(zhì)子在3個子電池中產(chǎn)生的PKA隨入射深度的分布Fig.4 Distribution of PKA in depth of three sub-cells caused by 100 MeV protons

2.1 開路電壓

GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池沒有負載保持開路時產(chǎn)生的最大可能電壓定義為Voc,此時電流近似為0。以三結(jié)太陽電池在質(zhì)子輻照后性能參數(shù)與輻照前的比值進行歸一化。歸一化Voc隨輻照注量的變化如圖5a所示。由圖5a可看出,Voc隨輻照注量的增大而減小。隨著輻照注量的增加,其退化幅度逐漸變大,輻照注量達到2×1012cm-2時,Voc的退化幅度達到8.98%。

圖5 歸一化Voc隨輻照注量的變化Fig.5 Normalized Voc versus proton fluence

在忽略有效力場的情況下,電池的Voc[16-18]可表示為:

(1)

式中:kB為玻爾茲曼常數(shù);q為電子電量;T為絕對溫度;ni為本征載流子濃度;nn為各子電池N型發(fā)射區(qū)的電子濃度;np為各子電池P型基區(qū)的空穴濃度。

質(zhì)子輻照三結(jié)太陽電池后,由于質(zhì)子在電池內(nèi)部輸運時會撞擊材料的晶格原子,使其離開正常的晶格位置而成為缺陷。缺陷誘發(fā)產(chǎn)生的載流子去除效應(yīng)使子電池N型發(fā)射區(qū)和子電池P型基區(qū)的多數(shù)載流子濃度降低。電池中多數(shù)載流子濃度nn和np隨輻照注量的變化如式(2)[18]所示:

(2)

其中:n0和nn,p分別為輻照前后各子電池的多數(shù)載流子濃度;Φ為輻照注量,cm-2;Rc為多數(shù)載流子去除率,其與材料中的多數(shù)載流子濃度近似呈正比。

由式(2)可知,隨著輻照注量的增加,各子電池內(nèi)部的多數(shù)載流子濃度降低,從而使子電池的Voc隨輻照注量的增加而降低。GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的Voc近似等于每個子電池的Voc之和,因此,隨著入射輻照注量的增加,三結(jié)太陽電池的Voc逐漸降低。

三結(jié)太陽電池Voc隨輻照注量的退化關(guān)系[19]可表示為:

(3)

其中:Voc0和Voc分別為輻照前后三結(jié)太陽電池的開路電壓;C為輻照注量對數(shù)所對應(yīng)的開路電壓的衰減參數(shù);Φ0為GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池歸一化開路電壓退化程度隨輻照注量對數(shù)值呈正比時的臨界注量值,當輻照注量高于此臨界注量值時,開路電壓衰減程度與輻照注量近似呈線性關(guān)系。

應(yīng)用式(3)將不同注量下電池的歸一化Voc進行擬合即可得到參數(shù)C和Φ0的值,分別為0.052和3.96×1010,因此,式(3)可寫為:

(4)

由式(4)可知,當輻照注量低于3.96×1010cm-2時,三結(jié)太陽電池的歸一化開路電壓衰減幅度與輻照注量呈對數(shù)關(guān)系,輻照注量高于3.96×1010cm-2時,開路電壓衰減幅度與輻照注量呈正比。應(yīng)用式(4)在一定范圍內(nèi)可預(yù)估100 MeV質(zhì)子輻照時,不同輻照注量下GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池Voc的衰減程度。

2.2 短路電流

太陽電池外部電路短路時的電流定義為Isc,此時外部電路兩端電壓近似為0。歸一化Isc隨輻照注量的變化如圖6a所示。由圖6a可見,隨著輻照注量的增大,歸一化Isc降低。計算可得,當輻照注量達到2×1012cm-2時,短路電流的退化幅度達到3.34%。短路電流的退化主要是少數(shù)載流子的擴散長度減小所致。質(zhì)子輻照產(chǎn)生的缺陷充當少數(shù)載流子的復合中心,這些復合中心導致大量光生載流子被質(zhì)子輻照產(chǎn)生的缺陷復合,降低了非平衡少數(shù)載流子的壽命,從而縮短了少數(shù)載流子的擴散長度。當位于發(fā)射區(qū)頂部和基區(qū)底部的光生載流子的擴散長度不足以擴散到空間電荷區(qū)而被空間電場分離時,少數(shù)載流子對電池的光生電流貢獻很小,導致子電池短路電流降低,進而誘發(fā)三結(jié)太陽電池短路電流減小。

圖6 歸一化Isc隨輻照注量的變化Fig.6 Normalized Isc versus proton fluence

少數(shù)載流子擴散長度與輻照注量關(guān)系如式(5)[20-21]所示:

(5)

式中:L0和L分別為輻照前后少數(shù)載流子的擴散長度;KL為少數(shù)載流子擴散長度損傷系數(shù)。

在一定情況下,電池的短路電流與少數(shù)載流子的擴散長度呈正比,即Isc∝L[22]。由式(5)可知,輻照后少數(shù)載流子擴散長度隨輻照注量的增加而減小,導致子電池的Isc減小,進而導致三結(jié)太陽電池的Isc退化幅度隨輻照注量的增加而增大。

三結(jié)太陽電池的Isc隨輻照注量的退化關(guān)系[19]可表示為:

(6)

式中,Isc0和Isc分別為輻照前后三結(jié)太陽電池的短路電流。

應(yīng)用式(6)將不同注量下電池的歸一化短路電流進行擬合即可得到參數(shù)C和Φ0的值,分別為0.079和1.23×1012,因此,式(6)可改寫為:

(7)

應(yīng)用式(7)對歸一化短路電流進行擬合,擬合曲線如圖6b所示。應(yīng)用式(7)在一定范圍內(nèi)可預(yù)估100 MeV質(zhì)子輻照時,不同輻照注量對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的Isc造成的衰減程度。

2.3 最大輸出功率

太陽電池在最佳負載下所達到的最大輸出功率定義為Pm,即太陽電池伏安特性曲線上電壓和電流乘積最大的面積,是GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池最重要的電學參數(shù)。歸一化Pm隨輻照注量的變化如圖7a所示。由圖7a可見,Pm隨輻照注量的增大而降低。與圖5、6對比可見,Pm的退化幅度大于Voc和Isc的退化幅度,當輻照注量達到2×1012cm-2時,其退化幅度高達16.88%。這是由于隨著輻照注量的增加,質(zhì)子在三結(jié)太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生的位移損傷劑量增大,使得穩(wěn)定缺陷濃度也逐漸增加,導致Pm的退化程度相比于低注量時更加顯著。

圖7 歸一化Pm隨輻照注量的變化Fig.7 Normalized Pm versus proton fluence

太陽電池的Pm與粒子輻照注量的關(guān)系[23]可表示為:

Pm∝IscVoc∝Φ-1/2lnΦ-1

(8)

通過前文對Voc和Isc的分析以及式(8)可很明顯看出,輻照注量越大,Voc和Isc越小,從而導致Pm越低,即Pm隨輻照注量Φ的增加而降低。

三結(jié)太陽電池最大輸出功率隨輻照注量的退化關(guān)系[19]可表示為:

(9)

其中,Pm0和Pm分別為質(zhì)子輻照前后三結(jié)太陽電池的最大輸出功率。

應(yīng)用式(9)將不同注量下電池的歸一化Pm進行擬合即可得到參數(shù)C和Φ0的值,分別為0.114和7.36×1010,則式(9)可寫為:

(10)

根據(jù)式(10)得到歸一化Pm的擬合曲線,如圖7b所示。由式(10)可知,當輻照注量低于7.36×1010cm-2時,三結(jié)太陽電池的歸一化Pm衰減幅度與輻照注量呈對數(shù)關(guān)系,輻照注量大于7.36×1010cm-2時,歸一化Pm近似呈線性衰減。應(yīng)用式(10)在一定范圍內(nèi)可預(yù)估100 MeV質(zhì)子輻照時,不同輻照注量對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的Pm造成的退化幅度。

2.4 光電轉(zhuǎn)換效率

太陽電池受光照時的Pm與輻照到太陽電池上的入射光功率(Pin)的比值定義為光電轉(zhuǎn)換效率(Eff)[24],即:

(11)

本文對GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池電學參數(shù)的測試均在室溫25 ℃和AM0條件下進行,此時Pin為136.7 mW/cm2。歸一化Eff隨輻照注量的變化如圖8所示。由圖8可見,歸一化Eff隨輻照注量的增大而減小。由式(11)可知,由于Pin為常數(shù),Eff與Pm在不同輻照注量下具有相同的衰減幅度。結(jié)合圖7、8可知,質(zhì)子輻照后Pm退化顯著,從而導致GaInP/GaAs/Ge太陽電池的Eff退化也很顯著。

圖8 歸一化Eff隨輻照注量的變化Fig.8 Normalized Eff versus proton fluence

以上結(jié)果表明,在100 MeV質(zhì)子輻照下,輻照注量范圍為1×1011～2×1012cm-2時,GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的Voc、Isc、Pm、Eff等輻射敏感參數(shù)均出現(xiàn)明顯退化。分析其原因可能是因為,在100 MeV質(zhì)子輻照GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池時,質(zhì)子通過彈性碰撞和核反應(yīng)等作用將自身能量傳遞給晶格原子,使其在太陽電池內(nèi)部產(chǎn)生大量穩(wěn)定的缺陷。這些缺陷會在太陽電池各子電池材料禁帶中引入非輻射能級缺陷,非輻射能級缺陷充當少數(shù)載流子的復合中心,增加了少數(shù)載流子非輻射復合,進而導致少數(shù)載流子壽命減小,使得少數(shù)載流子擴散長度減小。此外,部分缺陷成為載流子的補償中心,使得多數(shù)載流子濃度降低,造成Voc的降低。因此,輻照誘發(fā)的缺陷是導致三結(jié)太陽電池性能參數(shù)退化的主要原因。

3 結(jié)論

通過開展國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV質(zhì)子輻照實驗,分析了100 MeV質(zhì)子位移損傷誘發(fā)國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池Voc、Isc、Pm、Eff等輻射敏感參數(shù)的退化規(guī)律。結(jié)果表明:輻照注量范圍為1×1011～2×1012cm-2時,Voc、Isc、Pm、Eff的退化程度隨輻照注量的增大而增大;輻照注量為2×1012cm-2時,Voc、Isc、Pm、Eff歸一化處理后的退化程度分別為8.94%、3.34%、16.88%、16.88%。通過對不同輻照注量下所得Voc、Isc、Pm的退化程度進行擬合,獲得了Voc、Isc、Pm隨輻照注量變化的特征曲線。根據(jù)該曲線,在一定范圍內(nèi)可預(yù)估其他輻照注量下該電池性能的衰減幅度。根據(jù)Voc、Isc、Pm三者的擬合曲線可知,在相同輻照注量下,Pm衰減最嚴重。從國產(chǎn)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池100 MeV質(zhì)子輻照衰減程度分析,對該太陽電池進行質(zhì)子輻照損傷加固需從減少Voc衰減方面進行考慮。

本文的輻照實驗結(jié)果為開展不同能量質(zhì)子輻照誘發(fā)GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池性能退化比較提供了高能質(zhì)子輻照實驗數(shù)據(jù),為深入開展GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池輻照實驗方法標準制定、損傷機理分析、在軌壽命預(yù)估及抗輻射加固技術(shù)研究提供了理論指導和實驗技術(shù)支持。下一步將繼續(xù)深入開展不同能量質(zhì)子、中子、電子輻照實驗和仿真模擬研究。