空间太阳电池辐射效应评价方法

张 雷，杨生胜，高 欣，冯展祖，薛玉雄，陈益峰，冯 娜

(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

空间粒子辐射环境主要来自地球捕获辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等，主要成分是电子、质子及少量重离子，如此恶劣的空间粒子辐射环境是诱发航天器系统故障或异常的重要原因之一［1］。空间太阳电池阵作为卫星的重要组成部分，是航天器在轨正常运行的能源保证，同时随着空间科学技术的发展，航天器的功率及寿命要求也越来越高，对太阳电池的转换效率和抗辐射能力提出了更高的要求，因此对空间太阳电池的空间辐射效应研究至关重要。

2 空间辐射环境对太阳电池的影响机理

目前，对太阳电池辐照损伤效应的研究主要集中在电池宏观性能演化规律和辐照损伤的微观缺陷研究两个方面。

对太阳电池的宏观性能的影响主要体现在太阳电池在辐照前后最大功率Pmax、短路电流Isc和开路电压Voc的变化情况，分析得到变化规律，进而得到相应损伤系数。

太阳电池微观缺陷的研究主要是对太阳电池位移损伤的研究。空间的高能带电粒子进入太阳电池后其能量传递给晶格原子，使晶格原子偏离正常位置产生位移，从而在电池内部形成大量的空位、间隙原子和复合体等晶格缺陷。这些缺陷起着载流子复合中心的作用，减少了少数载流子寿命，使太阳电池电学性能发生退化。研究表明，载流子寿命的变化通常与辐照粒子的类型、能量、注量及入射方式等因素有关。当传递的能量大于某一阈值时，晶格原子就发生位移，产生晶格缺陷，如空位、间隙原子、缺陷簇、空位－杂质复合体等。这些缺陷起复合中心的作用，从而降低载流子寿命。光生少数载流子寿命降低导致其扩散长度缩短，从而造成部分子来不及扩散到空间电荷区被空间电场分离而发生复合。光生载流子收集效率的降低最终导致太阳电池性能下降。高能粒子对太阳电池的损伤机理如图1所示，当具有一定动能的粒子进入材料时，它们通过与晶格原子发生相互作用而损失能量。入射粒子的大部分动能通过使靶材原子电离而损失(电子吸收能量而被激发到高能态)，即电离能量损失(IEL)，而只有一小部分动能通过非电离过程损失(非电离能量损失，NIEL)，当这部分能量超过原子晶格能时(例如晶体Si材料中的Si原子非电离损伤阈值约21 eV)，将导致晶格原子离开正常的晶格位置成为间隙原子，而在原来晶格位置留下一个空位，形成所谓的Frenkel缺陷。

非电离损伤也常称为位移损伤(displacement damage)。而入射粒子与晶格原子发生碰撞产生的高能初始反冲原子PKA(Primiery Knock-on Atom)在晶体内运动时，又可通过级联式碰撞产生更多的Frenkel缺陷，这样产生Frenkel缺陷是很不稳定的，会由于点阵形变及热运动，互相发生作用而退火(复合)，在室温下90%的缺陷会在一分钟内复合，最终达到稳定状态，其他未复合的缺陷会形成稳定的缺陷。辐射粒子在物质(材料)中产生稳定缺陷的过程称为非电离损伤，由此产生的对物质(材料)性能的影响成为非电离损伤效应。

图1 位移损伤产生缺陷机理示意图

空间辐射环境中对太阳电池产生位移损伤的主要辐射来源是空间电子和质子，它们通常具有连续能谱特征，能量从几eV到几百MeV不等，且不同轨道上的带电粒子通量也存在差异。这种具有连续能谱特征的空间带电粒子环境，不可能在地面模拟试验中实现。因此，必须建立空间辐射环境中不同能量的质子和电子与地面模拟试验粒子之间的等效方法。

3 空间太阳电池辐射效应评价方法

研究太阳电池的抗辐射特性是目前航天领域的一个重要的工程实际问题，而研究太阳电池辐照损伤效应和机理主要包括两方面:一是要提高太阳电池的抗辐射能力，为改进其制备工艺及防护方法提供依据；二是为科学预测太阳电池的在轨行为提供试验数据，以保证航天器长寿命，高可靠性的要求。以下介绍国际上常用的评价方法。

3.1 等效注量法——JPL

美国喷气动力实验室(JPL-Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology)H．Y．Tada［2，3］等人提出的等效注量法(Equivalent Fluence Method)，是国际上用于预测空间太阳电池在轨服役行为的主要方法。这种方法是将不同能量和不同类型的带电粒子引起的辐照损伤效应通过相对损伤系数(RDC-Relative damage coefficient)联系起来，从而实现实验室中的单能粒子辐照与空间带电粒子能谱效应的等效。等效注量法分为四个步骤:1，通过试验给出不同类型和不同能量带电粒子辐照下太阳电池电学性能退化到某一水平时的临界注量；2，根据临界注量计算不同能量的带电粒子相对于1 MeV电子和10 MeV质子的相对损伤系数；3，根据轨道环境参数计算空间带电粒子能谱，结合相对损伤系数得到空间带电粒子等效为1 MeV电子的等效注量；4，根据等效注量和1 MeV电子辐照下电池的电学性能退化曲线给出其在轨服役行为预测结果。实际的空间环境中，带电粒子通量是按能量连续分布的，在实验室中不可能同时模拟所有能量的带电粒子谱，一般只能模拟一种能量的电子或质子辐照。要实现实验室中的单能粒子与空间带电粒子能谱辐照的等效性，必须建立不同类型或不同能量的粒子辐照损伤效应之间的等效关系。JPL提出的等效注量模型就是把不同能量不同类型的粒子引起的辐照损伤效应通过相对损伤系数联系起来。损伤效应的等效性可以基于太阳电池的电学性能与辐照注量的关系加以表征。如果把太阳电池的电学性能退化到某一特定水平(如退化到辐照前的80%)所需要的辐照注量定义为临界注量Фc，则相对损伤系数就等于不同种类或能量粒子辐照的临界注量之比。由于1 MeV电子是空间辐射环境中常见的带电粒子，而且1 MeV能量在实验室中比较容易获得，为此将1 MeV电子的临界注量作为描述太阳电池损伤等效性的基础。同理，10 MeV质子也可以作为计算质子辐照下太阳电池等效损伤的基础。

通过此办法，形成了一个不同能量电子、质子与1 MeV电子之间的辐射损伤等效关系，形成一个数据库，可用于空间连续能谱中的太阳电池辐射损伤进行分析和评估。根据等效1 MeV电子注量(或10 MeV质子)对电池进行辐照试验后，获得特定空间环境中太阳电池性能参数经过一定时间后的衰减情况。

由于空间辐射是全向的，而且在太阳电池表面加有防护盖片，通过实验室垂直入射的电子和质子束辐照所获得的实验数据不能直接用于预测太阳电池的空间辐射效应。空间辐射损伤的等效性可以相对于太阳电池裸片在1 MeV电子或10 MeV质子垂直入射情况进行计算。这样使空间辐射的所有因素简化为一种等效的实验室辐射(单能，垂直入射)，从而将实验室数据用于预测有防护层的太阳电池阵在空间的行为。

等效注量法已经成为国际上预测空间太阳电池在轨行为的通用方法，在实际工程应用中起到了重要作用。随着航天科技的不断进步，具有更高光电转换效率的多结叠层太阳电池进入航天应用领域，并迅速得到了广泛关注。有关预测多结叠层太阳电池在轨行为的研究已有报道。P．R．Sharps等人［4，5］研究了单结砷化镓太阳电池、双结砷化镓电池和三结砷化镓太阳电池的辐照效应，得到了10 MeV质子等效为1 MeV电子的转化因子列于表1中。从表中数据可见，不同结构的太阳电池所对应的转化因子明显不同，要得到适合某种电池的一组相对损伤系数需要大量的试验数据。为降低成本，S．R．Messenger等人［6］尝试使用SRIM程序计算了三结砷化镓太阳电池的相对损伤系数，计算结果与试验数据存在一定的差异，如图2所示。利用等效注量法预测三结砷化镓电池目前还处于尝试和探索阶段［7，8］。

表1 单结、双结和三结砷化镓太阳电池的10 MeV质子等效为1 MeV电子转化因子［4，5］

综上所述，在获得适当的相对损伤系数的情况下，等效注量法可以用于其它类型的太阳电池甚至是多结叠层电池上。

3.2 位移损伤剂量法——NRL

位移损伤剂量法［9－11］(Displacement Damage Dose Method)是美国海军试验室(US Naval Research Laboratory-NRL)基于非电离能损(Non-ionizing Energy Loss，NIEL)创建的太阳电池辐射损伤评估法。该方法的理论基础是，认为位移损伤是光电材料的主要损伤机制，太阳电池的辐射损伤属于非电离能损失范畴(带电粒子与物质作用的基本形式是电离和位移，总的能量损失为这两部分之和，非电离能量损失是指产生电离效应以外的能量损失，几乎全部用于产生位移效应)。美国海军实验室(NRL)通过核物理的理论分析方法，对不同能量粒子在太阳电池材料中的非电离能损失进行计算(通常采用蒙特卡罗分析方法)，获得不同能量粒子在太阳电池材料中的非电离能损伤等效系数，通过粒子的非电离能量损失(Nonionizing Energy Loss-NIEL)将粒子辐照注量转化为位移损伤剂量(Displacement Damage Dose-Dd)，获得太阳电池电学性能随位移损伤剂量退化的特征曲线。然后，再由空间带电粒子能谱和NIEL计算太阳电池在轨服役的等效位移损伤剂量，最终实现对太阳电池在轨行为的预测。

图2 RDC的SRIM计算结果与试验结果的对比［6］

S．R．Messenger和R．J．Warters等人［12］利用位移损伤剂量法研究了单结砷化镓太阳电池的退化效应，在给定空间带电粒子能谱的情况下，可以计算空间带电粒子的等效位移损伤剂量。在已知质子和电子在GaInP、GaAs和Ge三种材料中的NIEL的情况下，位移损伤剂量法同样可以用于预测三结砷化镓太阳电池的辐照损伤［13－15］。S．R．Messenger等人［12］还发现，50 keV质子辐照下单结砷化镓太阳电池的退化曲线偏离了高能质子辐照下电学性能随位移损伤剂量变化的退化曲线，如图3所示。出现这一结果的原因是50 keV质子主要停留在电池的发射区顶部和窗口层中，对电池的活性区造成的损伤较小。同样，关于三结砷化镓太阳电池的研究结果表明，小于150 keV质子辐照下三结太阳电池电学性能的退化曲线与高能质子辐照的退化曲线发生偏离，图4中给出了三结砷化镓太阳电池Voc的退化曲线［16，17］。从图4中可见，小于0．1 MeV质子主要造成GaInP顶电池损伤，而大于0．15 MeV质子主要对GaAs中电池产生损伤。

图3 砷化镓太阳电池归一化Pmax与质子位移损伤剂量的关系曲线［12］

以上两种方法是目前国际上最常用的两种太阳电池空间辐射效应研究方法，采用地面试验模拟以及计算机仿真模拟相结合的方法预测太阳电池的在轨行为。对于等效注量法的优点是评价体系比较完善，在Si电池、单结砷化镓电池上得到了较好的应用，但是，评价过程较为繁杂，所需的试验数据多，评价成本高，该方法还有待于进一步改进和优化；而位移损伤剂量法相对等效注量法来说预测太阳电池在轨行为操作方便，所需要的试验数据较少，近年来得到了广泛关注。

4 结束语

图4 质子辐照下三结砷化镓太阳电池的Voc与质子能量的关系［17］

空间粒子辐射环境会导致太阳电池发生位移损伤效应，影响航天器在轨运行的可靠性，与此同时随着国内太阳能电池技术的不断发展，出现了大量新型太阳能电池，并且电池制造工艺特得到了改进，这些电池在航天器上使用，必须能够适应空间辐射的环境，因此在应用新型太阳电池前必须对辐射效应研究。对于空间太阳电池的辐射效应研究可采用以下方法:

(1)在试验条件满足的情况下可开展地面试验和飞行试验相结合的对比研究方法，但是这种方法成本比较高；

(2)采用等效注量法得到1 MeV电子或者10 MeV质子的相对损伤系数，通过这种方法可获得特定空间环境中太阳电池性能参数经过一定时间后的衰减情况；

(3)采用位移损伤剂量法通过计算机软件的仿真模拟计算得到高能粒子在太阳电池中的非电离能损，再由空间带电粒子能谱和非电离能损计算太阳电池在轨服役的等效位移损伤剂量，最终实现对太阳电池在轨行为的预测。

从国内目前的研究中发现在太阳电池辐射效应方面开展的试验研究工作不够系统全面，因而我国亟需开展并完善太阳电池的辐射效应研究评价体系，这可为今后地面研究新型太阳电池辐射损伤提供理论和试验依据，为太阳电池阵及防护设计提供参考数据，确保我国空间太阳电池设计能够满足卫星长寿命、高可靠性的要求。

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