IMM四结太阳电池辐照实验方法研究

欧 伟，郄毅鹏，铁剑锐，高 鹏，王 鑫

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.天津恒电空间电源有限公司，天津300384)

IMM四结太阳电池辐照实验方法研究

欧 伟1,2，郄毅鹏1，铁剑锐1,2，高 鹏1，王 鑫2

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.天津恒电空间电源有限公司，天津300384)

空间用反向生长四结砷化镓太阳电池(简称“IMM四结电池”)是一种新型的高效太阳电池，将应用于空间飞行器，因此，抗带电粒子辐照性能极为重要。用三种不同抗带电粒子辐照实验的方法进行实验比较，结果表明，电池进行实验后，在(25±5)℃、AM0光照环境退火48 h，再在60℃环境退火24 h，电性能恢复效果最好，最佳功率衰降为18.39%，该方法与电池的使用环境相近，可以作为IMM四结电池的电子辐照实验方法。

IMM；太阳电池；电子辐照

IMM四结电池是一种新型的反向生长晶格失配高效砷化镓太阳电池，与传统的空间用正向生长晶格匹配三结砷化镓太阳电池均采用金属有机化合物化学气相外延生长技术(MOCVD技术)进行PN结的生长相比，区别是二者的生长顺序完全相反(图1)：正向匹配三结砷化镓太阳电池是在衬底上顺序生长底电池、中间电池和顶电池，而IMM四结电池是在衬底上先生长顶电池，再生长中间电池，最后生长底电池，外延层生长完成后，通过键合、剥离等工艺，将外延层反转转移到另一个衬底上。目前我国空间飞行器上使用的太阳电池大多数为传统的空间用三结砷化镓太阳电池，该类电池的批产光电转换效率(AM0)已从2008年首次空间使用时的26.5%提高到现在的30%，实验室效率超过31%，但传统的正向匹配三结砷化镓太阳电池受到材料匹配及材料质量等因素的影响，光电转换效率想要再提高已经非常困难，而IMM电池与传统电池相比，有更高的光电转换效率，我们研制的IMM四结电池AM0光电转换效率超过34%。

图1 两种电池外延结构生长示意图

IMM四结电池的应用方向与传统的正向匹配三结砷化镓太阳电池相同，主要应用于空间飞行器电源系统，为空间飞行器提供能源。在空间飞行器上，太阳电池阵直接面对空间环境，直接受到空间粒子的撞击，在经受粒子的撞击后，太阳电池的性能会有一定的衰降，通常通过电池在地面的抗带电粒子辐照实验后电性能参数的衰降来考核太阳的抗辐照性能。目前，国内尚未制定专门针对IMM四结电池电子辐照实验方法。

通过调研国内空间用硅电池、砷化镓电池通用规范，美国航空航天协会空间太阳电池标准和欧空局空间光伏组件和元件标准，国内外针对硅电池和砷化镓电池的辐照实验方法主要有三种，该三种方法辐照过程基本相同，但是辐照后的退火条件有所区别，具体如下：

(1)电池按照相关条件进行辐照实验，实验后电池在室温及相对湿度不大于50%的环境中贮存7～30 d(国内空间电池标准，标准号GJB7392-2011)；

(2)电池按照相关条件进行辐照实验，实验后电池在60℃环境下退火24 h(美国航空航天协会标准，AIAA S-111-2005)；

(3)电池按照相关条件进行辐照实验，实验后电池在(25± 5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃环境退火24 h(欧空局标准，ECSS-E-ST-20-08C Rev.1)。

本文将通过高轨寿命15年的空间飞行器环境，等效抗带电粒子辐照条件为1 MeV电子能量、1×1015e/cm2累计通量的条件，参照以上三种方法来对IMM四结电池的抗带电粒子辐照性能进行研究，并确定适合的抗带电粒子辐照方法。

1 实验

选取IMM四结电池6片,电池面积为3.88 cm2(如图2)，进行标记和分组，分为A、B、C组，2片电池一组，分组完成后进行电性能测试，测试完成后按如下条件进行电子辐照：(a)粒子种类：电子；(b)粒子能量：1 MeV；(c)瞬时通量：1×1011e/cm2·s；(d)累计通量：1×1015e/cm2。

图2 用于实验的IMM四结电池照片

实验设备采用电子加速器，实验时间10 000 s，辐照实验结束后，立即测试电性能并记录，然后分组按如下条件进行退火实验：A组电池在室温及相对湿度不大于50%的环境中贮存7 d退火，然后进行电性能测试；B组电池在60℃退火24 h，然后进行电性能测试；实验后电池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃环境退火24 h，然后进行电性能测试。所有电性能测试条件为(25±2)℃，AM0光谱，标准光强为135.3 mW/cm2。

2 结果与讨论

2.1 退火前全部电池最佳功率衰降情况

进行完抗带电粒子辐照后，随即进行电性能测试，计算辐照前后各参数的衰降，如表1所示。

表1 全体电池辐照后即时电性能衰降情况

2.2 A组测试结果

经过室温及相对湿度不大于50%的环境中贮存7 d退火，辐照前后电性能数据如表2所示。电性能数据未发生明显变化，电池的辐照性能没有得到恢复。

表2 A组电性能衰降情况

2.3 B组测试结果

电池在60℃退火24 h后，辐照前后电性能数据如表3所示，电池的电性能有较小的恢复。

表3 B组电性能衰降情况

2.4 C组测试结果

电池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃环境下退火24 h，辐照前后电性能数据如表4所示。可以看出，电池的电性能恢复明显。

表4 C组电性能衰降情况

2.5 讨论

从实验结果可以看出，A组电池辐照后的电性能在退火后基本没有变化，B组和C组电池辐照后的电性能在退火后有恢复，并且C组电池的电性能恢复最为明显。

电子辐照对太阳电池的损伤主要分为位移损伤和电离损伤：位移效应是指当入射粒子与物质原子核发生碰撞时，会将一部分能量传递给晶格原子，当这部分能量超过原子位移阙能时，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，形成缺陷，位移损伤是不可恢复的；电离损伤是电子入射到半导体器件内部时，它们通过电离过程使得一些束缚电子从材料价带激发到导带，产生大量的电子-空穴对，形成致密的电离迹径，若入射粒子的能量比禁带宽度大许多，被激发的电子获得的能量比达到导带所需要的能量多得多，初始电离电子和空穴往往具有相当大的动能，会通过如产生次级电子-空穴对(次级电离)或者以热能方式交给晶格等，迅速损失多余能量，降回到导带底或价带项，变成热化电子或空穴。这些电子-空穴对对半导体器件的性能产生影响，严重时甚至可使半导体器件失灵，电离损伤在一定条件下是可以恢复的。

IMM四结电池在太空中使用时，将直接裸露在空间环境中，将受到空间粒子的撞击，电池在工作时，将面对一个太阳常数的光照，工作温度约为60～70℃，因此，上述三种实验方法的退火条件中，“实验后电池在(25±5)℃、AM0光照退火48 h，再在60℃环境退火24 h”的退火条件与之较为接近，该种实验方法比较适用于IMM四结电池。

3 结论

本文采用目前国内外常用的三种电子辐照实验方法对IMM四结电池开展了电子辐照实验，经过实验验证，电池在经过辐照实验后，再经过在(25±5)℃、AM0光照环境退火48 h，再在60℃环境退火24 h，电池电性能恢复效果要明显优于其他两种方法，且该种方法与电池的空间工作环境较为相近，可以采用这种方法作为IMM四结电池的辐照实验方法。

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Study of electron irradiation method for IMM 4J solar cells

IMM 4J solar cell was a new high efficiency solar cell,they were being pursued for space applications,and the performance of electron irradiation was very important.Three different electron irradiation tests methods were used to compare.The results show that the cells irradiated with 1 S.C.(AM0)for 48 h,temperature annealed for 24 h at 60℃,then the recovery of the electric characteristic was the best,the degradation of Pmax was 18.39%.The test condition was close to the work condition of solar cells,it could be used as experimental conditions.

IMM;solar cell;electron irradiation

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2179-03

2015-08-16

欧伟(1981—)，男，贵州省人，工程师，主要研究方向为太阳电池。