铜铟镓硒薄膜太阳电池辐照效应研究

张 超，邓朝文，乔在祥

(中国电子科技集团公司第十八研究所重点实验室，天津300384)

铜铟镓硒薄膜太阳电池辐照效应研究

张 超，邓朝文，乔在祥

(中国电子科技集团公司第十八研究所重点实验室，天津300384)

高性能、高可靠性、质量轻、抗辐照能力强、低成本是未来空间用太阳电池技术的主要发展方向。铜铟镓硒薄膜太阳电池最高转换效率已突破21%，并具有轻质、抗辐照能力强等特点，是最具有空间应用前景的新一代太阳电池。总结了国内外铜铟镓硒薄膜太阳电池辐照效应的研究状况，阐述了铜铟镓硒薄膜太阳电池辐照效应研究差异的主要原因，指出了未来铜铟镓硒薄膜太阳电池辐照效应的研究方向。

铜铟镓硒薄膜；辐照损伤；空间太阳电池

航天技术是人类科学技术的最伟大成就之一，特别是卫星，对人类发展的各个领域如科学实验与探索、民用通信广播、遥感导航、气象预测以及军事领域，起着巨大的促进作用。科学进步和社会发展需要功能更专一、功效更强大、价格更便宜、适应各种空间环境的应用卫星，这对卫星的设计提出了更高的要求，质量、体积、成本下降的小型化、微型化设计是其中一个重要的发展方向。

作为卫星组成的重要分系统之一，电源系统为卫星提供持久的电力支持，其可靠性是卫星实现功能的重要保障，在小型卫星中，其质量占卫星总质量的38%～42%，研制经费占总经费的7%～13%[1]，优化电源系统性能是未来小型卫星发展的关键。目前卫星电源系统广泛使用的是太阳电池阵列和蓄电池联合供电的方式，其中太阳电池以砷化镓电池为主，价格昂贵。寻求效率高、价格低、性能稳定、抗辐照能力强的新型太阳电池是人们研究的焦点。

铜铟镓硒[Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS]薄膜太阳电池具有较高的光电转换效率，已达到21.7%[2]，虽然未达到目前空间应用的砷化镓太阳电池的转换效率，但是其成本低廉、质量轻、稳定性好、抗辐照能力强，可制备在柔性衬底上实现更多样的太阳电池翼结构设计和折叠展开方式设计，被认为是最具有空间应用前景的新一代太阳电池。因此，开展CIGS薄膜太阳电池空间辐照效应实验具有重要意义。

1 辐照效应研究中的难点和主要方法

1.1 辐照效应研究的难点

空间辐射环境非常复杂，主要分为三个部分：太阳宇宙射线、银河宇宙射线和地球辐射带[3]。太阳宇宙射线是指太阳活动产生的高能粒子流，主要成分是质子、电子还有少量的其他核成分和中子，其通量大小以11年为一个周期，粒子能量在几兆电子伏至几百兆电子伏[4]。银河宇宙射线是指来自于太阳系以外的银河系的高能粒子流，主要成分为87%的质子和12.5%的α粒子，其特点是带电粒子能量极高但通量很低，并且受到太阳活动周期的影响，当太阳活动处于高峰期时，银河宇宙射线通量会相对减小，处于平静期时，则会相对稳定[5]。地球辐照带又称范艾伦辐射带，是由地球磁场和太阳风相互作用的结果，分为内辐射带和外辐射带。内辐射带是指地球上空600～10 000 km带状区域，主要成分为质子，来源于银河宇宙射线粒子，外辐射带是指地球上空10 000～65 000 km带状区域，占优势的粒子为电子。地球辐射带俘获的主要是1～100MeV的质子和100 keV～20 MeV的电子以及少量的重离子[6]。

在地面模拟实验中，很难实现带电粒子呈连续分布、辐射通量随轨道变化的空间辐射环境，并且很难分析不同种类、不同能量粒子共同辐照的作用，同时也很难模拟由于其他环境因素，如温度、封装玻璃慢化效应等共同引起的辐照效应结果。因此，需要建立切实可行的等效分析方法。

1.2 辐照效应实验分析方法

太阳电池辐照效应实验的目的，一方面是分析其辐射损伤的微观机理，优化太阳电池的制备工艺，改进电池防护工艺，从而达到提高太阳电池抗辐照能力的目的，另一方面预测空间太阳电池的在轨行为，为空间应用提供科学的理论指导和实验依据。

研究太阳电池辐照效应的主要方法是，对比辐照前后太阳电池短路电流、开路电压和最大输出功率的变化，通过导纳谱、暗态I-V曲线测试、C-V测试和深能级瞬态谱分析太阳电池各层材料在辐照后产生的深能级缺陷。

太阳电池在轨性能预测方法常用的有两种，一是等效注量法，另一种是位移损伤剂量法。

等效注量法[7]是将不同能量、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联系起来，从而实现单能粒子辐照与空间带电粒子能谱等效的方法。具体方法是：通过实验得到各类型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，再根据临界注量计算不同能量带电粒子相对于10 MeV质子和1 MeV电子的相对损伤系数，然后结合轨道空间带电粒子能谱和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，最后根据等效注量和1 MeV电子辐照下电池的电学退化曲线给出该电池在轨行为预测结果。

位移损伤剂量法[8]是基于非电离能损创建的太阳电池辐射损伤方法，具体方法是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，获得各能量粒子的非电离能损伤等效系数，然后将粒子辐照注量转化为位移损伤剂量，获得太阳电池电学性能随位移损伤剂量退化的特征曲线，最后通过空间带电粒子能谱和非电离能损计算太阳电池在轨行为的等效位移损伤剂量，从而实现太阳电池辐照效应的预测。

2 铜铟镓硒薄膜太阳电池空间辐照效应的研究概况

2.1 国外研究概况

早在1984年，Gay等人在IEEE光伏专家会议上就报道了CIS/CdS结构太阳电池，在能量为1 MeV、注量为1016cm-2的电子辐射下表现出良好的抗辐射特性。转年，Mickelsen等人报道了CIS/(Zn,Cd)S太阳电池分别在1 MeV电子辐射和1 MeV的质子辐射下的电学性能损伤情况，指出CIS太阳电池在注量为2×1016cm-2的电子辐射下无衰退，在1013cm-2注量的质子辐射下，电池转换效率衰降到原来的68%。1988年，Burgess等人研究了CIS太阳电池在1、2 MeV电子辐照和0.2、0.4和2 MeV质子辐照下的稳定性，并通过为期3年的空间实验证明了未封装的CIS薄膜太阳电池具有较强的抗辐照能力。此外，日本的Yamaguchi、Matsuda[9]也对CIS太阳电池分别进行了电子和质子辐照实验。

2000年，德国斯图加特大学的A.Jasenek等人[10-11]研究了面积为0.5 cm2、效率为15%的CIGS薄膜太阳电池在1 MeV电子辐照下的电学损伤，转年，又对CIGS薄膜太阳电池分别进行了0.5、1、3 MeV电子辐照和4 MeV质子辐照实验，电子辐照注量超过1018cm-2、质子辐照注量达到了1014cm-2[12]。在实验中发现，辐照后CIGS薄膜太阳电池效率下降的主要原因是电池的开路电压衰降。通过导纳谱直接分析了辐射引起的缺陷机制，并使用低温C-V测试得到了高能粒子辐照会降低CIGS吸收层掺杂浓度的结论。该实验还指出经过小于100℃的退火处理，可以部分恢复CIGS薄膜的电子辐射损伤。2003年，同组的K.Weinert等人报道了3 MeV电子辐射下的CIGS薄膜太阳电池的电学性能损伤情况[13]。实验发现，当注量提高到2×1017cm-2时，电池的短路电流密度开始下降，到2×1018cm-2时，下降了90%。短路电流下降的原因是由于生成深能级缺陷的活化能变化了500 meV，经过360 K的退火处理，电池的短路电流密度可以得到恢复，但是开路电压损失无法完全恢复。

2002年2月，日本发射的MDS-1卫星上搭载了CIGS薄膜太阳电池，经过1年的空间辐照实验，其短路电流没有任何衰降，开路电压仅衰降1%，性能的稳定性要优于同期搭载的Si和GaAs太阳电池。转年，日本国家空间发展局的Kawakita[14]报道了30 cm×30 cm的CIGS电池组件辐照效应地面模拟实验，其结果与空间搭载实验一致。另外，还发现通过热处理可以恢复CIGS薄膜太阳电池的质子辐射损伤。不仅如此，他们将实验数据分析结果用来预测CIGS薄膜太阳电池在近地轨道和地球同步轨道的辐照效应，形成了从空间实验数据采集到地面模拟实验分析，再到空间预期的完整的空间辐照效应评估体系。

2009年，日本宇宙航空研究开发局[15]在发射的低地球轨道卫星SDS-1上搭载了薄膜太阳电池测试板，对比了In-GaP/GaAs(TF2J)和CIGS太阳电池的短路电流损伤，实验结果表明CIGS薄膜太阳电池抗辐照能力明显优于TF2J太阳电池。

2011年，日本Y.Hirose等人[16]在研究CIGS太阳电池电子辐照效应时，重点研究其多种窗口层如ITO、ZnO∶Al、ZnO∶Ga和CdS缓冲层的辐照效应，电子能量为2 MeV，注量范围是1×1013～1.5×1018cm-2。实验表明：电子辐照后，窗口层和缓冲层的透过率没有发生改变，但是ZnO∶Al和ZnO∶Ga的电阻率显著提高。通过辐照前后J-V特性曲线分析，ZnO∶Al和ZnO∶Ga窗口层主要引起CIGS薄膜太阳电池串联电阻的升高和短路电流的降低，pn异质结界面主要引起开路电压的降低和并联电阻的提高。

2013年，日本kawakita等人[17]报道了在250 eV电子辐射下，CIGS薄膜太阳电池中Cu点缺陷的电学性能影响。报道指出，CIGS太阳电池在250 keV的电子辐射下和1 MeV电子辐照下的结果显著不同。在250 keV的电子辐射下，CIGS太阳电池输出性能无衰降，但是载流子浓度提高，其现象类似于Na对CIGS太阳电池的影响。

2.2 国内研究概况

国内由于CIGS薄膜太阳电池制备技术发展较晚，工艺成熟度不高，因此，开展CIGS薄膜太阳电池辐照效应的研究也远远落后于国外各大研究机构。

2012年，南开大学陈秀娟[18]研究了CIGS薄膜太阳电池在γ射线辐照下的特性，粒子能量为1.17和1.33 MeV，注量为2×1010、1.2×1011、5×1011、9.8×1011、5.2×1012、1.36×1013、4.672×1013和1.1×1014cm-2。在实验中，系统分析了γ射线对CIGS太阳电池中各层薄膜的结构和电学特性影响，并对比了聚酰亚胺衬底、不锈钢衬底和玻璃衬底CIGS薄膜太阳电池在γ射线辐照的性能。同年，南开大学王昆烨[19]研究了不同衬底CIGS薄膜太阳电池在能量为7 MeV、注量为1014～1018cm-2的电子辐照下的电学性能的损伤。

哈尔滨工业大学的邓朝文[20]在2012年报道了低能质子辐照下的CIGS薄膜太阳电池性能的研究，通过50、100和150 keV质子辐照对比实验和SRIM2008软件模拟，分析了低能质子辐照对CIGS太阳电池的损伤效应，揭示了低能质子辐照下CIGS太阳电池性能变化规律和损伤机理。转年，哈尔滨工业大学的常熠[21]研究了质子和电子综合辐照下CIGS太阳电池的行为。在研究中，质子能量为50 keV，电子能量为50 keV和1 MeV，质子和电子注量分别为1011、1012、1013p/cm2和1014、1015、1016e/cm2。通过改变辐照方式，得到了不同类型的辐照方式引起电池性能衰降的比例不同的结论，其中共同辐照＞先电子后质子辐照＞单独质子辐照＞先质子后电子辐照＞＞单独电子辐照。

2.3 存在的差距与问题

国内对CIGS薄膜太阳电池辐照效应的研究只是定性的和机理上的研究，无法作为定量数据来预测CIGS薄膜太阳电池在轨行为。这主要是因为：

(1)国内CIGS薄膜太阳电池制备水平较低，电池性能普遍偏低，无法与国外测试结果相比较。

(2)国内辐照效应实验条件简陋、分析软件单一、测试手段不足，限制了CIGS薄膜太阳电池辐照效应研究的发展。

(3)国内CIGS薄膜太阳电池的制备单位和辐照效应实验单位的联系不足，难以展开系统的分析实验。

目前，CIGS薄膜太阳电池辐照效应理论尚不完善，需要进行大量的地面模拟研究和空间实验研究，主要存在的问题有：

(1)CIGS薄膜太阳电池的效率突破较快，从1984年的不足10%提高至如今的超过21%。不同效率的电池性能和稳定性存在很大差异，需要实验再次验证。

(2)CIGS薄膜是复杂的四元化合物，相同性能的CIGS薄膜太阳电池可能在微观上存在差异，如Cu含量、Ga含量以及元素的纵向分布，这会导致其辐照效应实验结果存在偏差。

(3)CIGS薄膜太阳电池结构不同，例如可选用的缓冲层为CdS、ZnS和In2S3，可选用的窗口层为ZnO∶Al、ZnO∶B和ITO，pn异质结的差异对辐照效应结果影响很大。

(4)CIGS薄膜太阳电池应用时多以内级联电池组件的形式，而报道的辐照效应实验多以单体电池为主，内级联电池组件的辐照效应有待研究。

3 结论与展望

CIGS薄膜太阳电池性能优异，有卓越的抗辐照能力，是最有空间应用前景的新型太阳电池，但其空间辐照效应缺乏系统的研究。针对上述问题，今后CIGS薄膜太阳电池辐照效应的研究方向应为：

(1)在辐照效应实验前，应先对CIGS薄膜太阳电池进行有目的的筛选，再进行地面模拟辐照和空间辐照实验研究，积累大量的实验数据，分析成分差异对空间辐照效应的影响。

(2)对于不同结构的CIGS薄膜太阳电池进行对比实验和理论分析，确定最适合空间应用的结构。

(3)实验研究应基于CIGS薄膜太阳电池组件模块进行研究，并结合其他空间用太阳电池的研究成果，分析其封装技术。

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[21]常熠.质子和电子综合辐照下铜铟镓硒太阳电池行为研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

Research status of irradiation effect of Cu(In,Ga)Se2thin film solar cell

The main development direction of space solar cell in the future is high performance,high reliability,light weight,better radiation resistance and low cost.Cu(In,Ga)Se2thin film solar cell has the characteristics of light weight and better radiation resistance,and its highest efficiency has broken through 21%.It is the most promising new generation solar cell for space application.The research status of the irradiation effect of CIGS thin film solar cell was summarized.The main reason of the difference between the irradiation effects of CIGS thin film solar cell was expounded, and the research direction of the irradiation effects of CIGS thin film solar cell in the future was put forward.

Cu(In,Ga)Se2thin film;irradiation damage;space solar cell

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1324-03

2016-01-08

张超(1985—)，男，天津市人，博士，工程师，主要研究方向为薄膜太阳电池技术。