空间带电粒子辐照下GaAs太阳电池的辐照损伤效应*

盛延辉

(哈尔滨师范大学)

0 引言

GaAs太阳电池因为它卓越的性能，已被大家作为电源广泛的应用于航天卫星中.然而GaAs太阳电池不可避免的会受到如带电子、质子、重离子等粒子辐照而损坏，导致太阳电池的性能发生退化，直接影响航天器在轨服役的可靠性和使用寿命.因此，深入研究带电粒子辐照环境下太阳电池的损伤效应，准确预测太阳电池的在轨行为，对于优化航天器的整体设计，提高卫星运行可靠性具有十分重要的意义.该文将从电池的宏观性能变化规律、辐照损伤微观缺陷及理论模型模拟三个方面对太阳电池的辐照损伤效应进行.

空间带电粒子辐照太阳电池后，会在太阳电池中产生许多晶格缺陷，如位移缺陷、填隙原子等.这些缺陷在太阳电池中起着载流子复合中心的作用，减小少数载流子寿命，从而使太阳电池的电学性能发生退化.因此研究太阳电池辐照损伤效应主要有两个目的:一是提高太阳电池抗辐照性能，为改进其制备工艺和防护方法提供依据;二是为科学预测太阳电池在轨行为提供理论指导和试验依据［1］.

1 太阳电池电学性能退化规律研究

空间辐照环境对太阳电池性能的影响主要是研究太阳电池辐照前后电学性能参数的变化.已有研究结果表明，太阳电池电学性能的退化与带电粒子的性质有关.

美国喷气动力试验室的 B.E.Anspaugh［2］比较系统地研究了质子和电子能量对LEP方法生产的GaAs/Ge太阳电池性能的影响.研究结果为他们后期预测GaAs/Ge太阳电池在轨行为提供试验数据.Messenger S R［2］等人对 Anspaugh B E研究数据总结，还对50keV质子辐照下采用LEP方法和MOCVD方法生产的GaAs/Ge太阳电池Pmax的退化规律进行了比较研究.从研究结果可知，虽然MOCVD方法成本高，但可以精确控制外延层厚度、浓度和组分，实现大面积超薄层和多层生长，这些优势是LEP技术不能达到的.国内的王荣等人［4］研究5～20 MeV质子辐照下MOCVD生产的GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤效应.研究结果与B.E.Anspaugh的一致.另外他们还研究了0.1～3MeV质子辐照下GaAs/Ge电池的辐照损伤效应［5］.胡建民［6］研究了小于200 keV质子辐照下GaAs/Ge太阳电池辐照损伤效应，结果表明:70keV质子辐照下电池开路电压退化幅度最大，40keV质子辐照下太阳电池短路电流退化幅度最大.赵慧杰［7］研究了小于200 keV质子辐照下GaAs/Ge太阳电池辐照损伤效应，研究结果与胡建民的一致.从以上研究结果来看用MOCVD生产的GaAs/Ge太阳电池在小于200 keV质子辐照下的损伤效应研究还比较少.

由于多结太阳电池有较高的光电转换效率，近年来成为研究热点.关于GaInP/GaAs/Ge太阳电池辐照损伤效应以美国海军试验室的研究工作最具代表性.R.J.Walters［8］等人给出了1 MeV电子辐照前后GaInP/GaAs/Ge电池的光谱响应.结果表明，GaAs中间电池抗辐照性能最差.日本航天器研究中心的Mitsuru Imaizumi等人［9］对比研究了高能电子和质子辐照 InGaP/GaAs/Ge太阳电池和Si太阳电池后太阳电池的辐照损伤机制.结果比明，InGaP/GaAs/Ge三结太阳比Si电池的抗辐照性能要好，主要原因是InGaP 顶电池非常好.S.R.Messenger等人［10］对GaInP/GaAs/Ge太阳电池的质子辐照效应进行了探索性研究.因此可见，多结太阳电池虽然有许多优点，但目前关于多结太阳电池的辐照损伤效应研究还处于起步阶段.

2 辐照损伤微观缺陷演化规律分析

太阳电池辐照损伤微观缺陷的研究主要以深能级瞬态谱研究方法(DLTS)最为常见.已有许多人研究了电子辐照在GaAs中的辐照缺陷引入率、缺陷能级和俘获截面.D.Pons等人［11］研究LEP方法生产的GaAs/Ge在1Mev电子辐照下所产生陷阱.研究结果中给出了四个电子陷阱位置，还给出经过500℃退火后，所产生新的较为复杂的陷阱位置.Bourgoin J C［12］分析了太阳电池辐照引入的缺陷，提出接近禁带中间的缺陷Ec－0.76 eV是少子寿命缩短的主要原因.然而关于质子辐照微观缺陷的研究同样也已经受到的广泛的关注，许多文章只给出质子辐照引起的缺陷能级和俘获截面.但在缺陷引入率方面给出的信息较少，特别是空穴缺陷引入率.胡建民［13］研究了小于200keV质子分别辐照GaAs/Ge单结太阳电池和GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池所产生的深能级缺陷.DLTE结果表明，100 keV和170 keV质子辐照GaAs/Ge太阳电池产生的深能级分别为Ec－0.31 eV 和Ec－0.47 eV，且随质子能量的增加而缺陷浓度降低;ODLTS结果表明，小于200 keV质子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在GaInP子电池中引入的深能级缺陷主要有Ec－0.26 eV、Ev+0.18 eV 和Ev+0.42 eV，在GaAs子电池中产生的深能级缺陷主要有Ec－0.015 eV、Ec－ 0.15 eV、Ev+0.33 eV .Zhang X［14］等采用光学深能级瞬态谱(ODLTS)法测试了GaInP/GaAs/Ge太阳电池在100、130和170 keV质子辐照下产生的缺陷，ODLTS分析方法为多结太阳电池辐照缺陷检测开辟了新途径.

近年来还有使用光致发光或电致发光光谱法研究太阳电池辐照损伤效应.Wang R［15］等人采用光致发光分析了1、1.8和11.5MeV电子辐照GaAs/Ge太阳电池的退化，文献中讨论了太阳电池效率η的退化，用光致发光(PL)测量分析了电子辐照引入的缺陷.赵慧杰［16］用光致发光光谱法研究了100keV质子辐照对GaAs/Ge太阳电池的光电效应的影响，由于质子辐照引入的大量缺陷，使晶格空间的完整性受到破坏，导致少子的扩散长度降低、表面复合速度增加所致，从而对材料的光电性能具有破坏性的影响.光致发光或电致发光光谱法虽然可以用来研究太阳电池辐照损伤效应，但这种方法不能确定缺陷类型，对缺陷浓度也不能做定量分析.所以深能级瞬态谱法是表征太阳电池微观缺陷比较有效的方法.

3 太阳电池载流子输运规律探索

用理论模型模拟研究太阳电池辐照损伤效应是继宏观性能演化规律研究和辐照损伤微观缺陷研究之后新的研究方法，目前，国内外有很多人采用这种方式来研究太阳电池的辐照损伤缺陷.这种方法是从载流子输运机制的角度研究了太阳电池的辐照损伤效应，并且可以对试验结果进行佐证，从而验证了实验结果的合理性.

国外应用 PC1D模拟太阳电池辐照损伤效应的报道较多.Roshdy A.AbdelRassoul［17］应用PC1D软件研究了 Si太阳电池在非光照下的I－V特性，给出表面复合率、少子寿命和温度对其电学性能的影响.Yahia A H［18］对 InP同质结进行研究，结果表明，PC1D软件可以很好的应用于电池的研究，给出了理论上材料的本征载流子浓度、载流子扩散长度和表面复合率.Cappelletti M A［19］采用 PC1D软件数值模拟分析了1MeV电子辐照下InGaP/GaAs/Ge太阳电池中GaAs子电池的电学性能，结果表明，InGaP/GaAs/Ge太阳电池的辐射误差是太阳电池掺杂浓度的函数，当确定基区和发射区载流子浓度后可以获得最大的最大功率.

国内目前有关使用PC1D软件进行太阳电池模拟的报导很少，其应用还处于起步阶段.孙永亮［20］用PC1D软件模拟了高能电子、高能质子和低能质子辐照GaAs单结电池在电池内部损伤过程，给出了可以表示损伤程度的重要物理参量，即扩散长度损伤系数KL和载流子去除率RC.

胡建民［21］在研究了不同能量质子和电子辐照GaAs/Ge单结太阳电池辐照损伤效应和机理时，在载流子输运机制的基础上建立单结GaAs太阳电池辐照损伤的物理模型即短路电流退化的数学模型和开路电压退化的数学模型.这两个模型为人们从载流子输运机制角度研究太阳电池辐照损伤效应提供了新的方法.

4 结论与展望

目前，国内外研究太阳电池辐照损伤效应的方法主要是电学性能退化规律、辐照损伤缺陷和理论模型模拟.国际上研究高能粒子辐照GaAs/Ge太阳电池电学性能退化的试验数据比较完善，关于小于200 keV低能质子辐照太阳电池性能退化数据比较少，GaInP/GaAs/Ge多结太阳电池辐照损伤效应还处于起步阶段.而研究太阳电池辐照损伤微观缺陷的表征方法还比较单一，深能级瞬态谱法在给出质子辐照缺陷引入率方面的数据罕见.所以，太阳电池电学性能退化和电池辐照损伤缺陷两方面对太阳电池的辐照损伤效应的研究并不深入，而用物理模型从载流子输运机制的角度可以更加深入的揭示太阳电池辐照损伤的机理.所以，利用模型从载流子输运机制的角度研究太阳电池辐照损伤效应将会受到人们的广泛关注.根据以上研究情况，该文总结了太阳电池辐照损伤效应可以按流程图图1进行，通过此流程图可以清晰明了的知道了研究太阳电池辐照损伤效应的过程和解决方法.

图1 太阳电池辐照损伤效应流程

［1］胡建民.GaAs太阳电池空间粒子辐照效应及在轨性能退化预测方法.哈尔滨工业大学博士学位论文，2009.20.

［2］Anspaugh B E.Proton and Electron Damage Coefficients for GaAs/Ge Solar Cell.Proceedings of the 22nd IEEE Photovoltaic Spacialist Conference，Las Vegas，1991.1593–1598.

［3］Messenger S R，Summers G P，Burke E A，et al.Modelling Solar Cell Degradation in Space:A Comparison of the NRL Displacement Damage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approaches.Progress in Photovoltaics:Research and Applicantions，2001(9):105.

［4］Wang R，Guo Z L，Zang X H，et al.5–20 MeV Proton Irradiation Effects on GaAs/Ge Solar Cell for Space Use.Solar Energy Materials and Solar Cells，2003，77:351–355.

［5］Wang R，Guo Z L，Wang G P.Low–Energy Proton Irradiation Effects on GaAs/Ge Solar Cells.Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90:1052–1057.

［6］胡建民.GaAs太阳电池空间粒子辐照效应及在轨性能退化预测方法.哈尔滨工业大学博士学位论文，2009.42－45.

［7］赵慧杰.低能质子和电子辐照GaAs/Ge太阳电池性能演化及损伤机理.博士学位论文，2008.47－50.

［8］Walters R J，Summers G P.Analysis and Modeling of the Radiation Response of Multijunction Space Solar Cells.Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialist Conference，2000.1092–1097.

［9］Mitsuru Imaizumi，Takeshi Ohshima.Radiation Effects in Solar Cells.Proc of SPIE，2013，8725:872515.

［10］Messenger S R，Burke E A，Walters R J，et al.Using SRIM to Calculate the Relative Damage Coefficients for Solar Cells.Progress in Photovoltaics:Research and Applicantions，2005，13:119－122.

［11］Pons D，Mircea A，Mitonneau A.Electron Traps in Irradiated GaAs:Comparison with Native Defects.Defects and Radiation Effects inSemiconductors.Inst Phys Conf Ser，1978，46(5):352－359.

［12］Bougoin J C，de Angelis N.Radiation－Induced Defects in Solar CellMaterials.Solar Energy Materials and Solar Cells，2001，66:467－477.

［13］胡建民.GaAs太阳电池空间粒子辐照效应及在轨性能退化预测方法.哈尔滨工业大学博士学位论文，2009.77－81.

［14］Zhang X，Hu J M，Wu Y Y，et al.Direct Observation of defects in triple－junction solar cell by optical deep－level tran-sient spectroscopy.Journal of Physics D:Applied Physics，2009，49:145401–145416.

［15］Lu Ming，Wang Rong，Yang Kui，et al.Photoluminesence analysis of electron irradiation－induced defects in GaAs/Ge solar cells.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2013，321:137–140.

［16］赵慧杰，何世禹，孙彦铮，等.100keV质子辐照对空间GaAsGe太阳电池光电效应的影响.物理学报，2009，58(1):404－410.

［17］Roshdy A.AbdelRassoul Analysis of Anomalies in Current–Voltage Characteristics of Silicon Solar Cells.R.A.Abdel-Rassoul/Renewable Energy，2001，23:409–416.

［18］Yahia A H，Wanlass M W，Coutts T J.Photovoltaic Specialists Conference.Conference Record of the Twentieth IEEE，1988.702－707.

［19］Cappelletti M A，Cedola AP，Peltzer E L，et al.Computational analysis of the maximum power point for GaAs sub－cells in InGaP/GaAs/Ge triple－junction spacesolar cells.Semiconductor Science and Technology，2014，29:115025–115031.

［20］孙永亮.GaAs/Ge太阳电池空间带电粒子辐照损伤机理研究.哈尔滨师范大学，硕士学位论文，2013:14.

［21］胡建民.GaAs太阳电池空间粒子辐照效应及在轨性能退化预测方法.哈尔滨工业大学博士学位论文，2009.56－63.