电子辐照下GaAs/Ge太阳电池性能退化机制

盛延辉，齐佳红，胡建民，张子锐，王月媛

(哈尔滨师范大学光电带隙材料教育部重点实验室物理与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150025)

电子辐照下GaAs/Ge太阳电池性能退化机制

盛延辉，齐佳红，胡建民，张子锐，王月媛

(哈尔滨师范大学光电带隙材料教育部重点实验室物理与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150025)

通过空间带电粒子辐照地面等效模拟实验得到1 MeV和1.8 MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学性能退化规律。根据太阳电池电学参数退化模型，对太阳电池短路电流退化曲线进行非线性分析，建立空间GaAs/Ge太阳电池少数载流子扩散长度损伤系数随入射电子能量变化的基本规律。结果表明，少数载流子扩散长度损伤系数随入射电子能量的增高而增大，这与短路电流退化幅度随电子能量变化规律一致。

GaAs太阳电池；辐照损伤模型；少数载流子扩散长度

航天器在轨服役期间要经历复杂恶劣的空间环境，空间带电粒子的辐射作用使太阳电池的电学性能明显下降，这对航天器在轨飞行的可靠性和服役寿命产生影响。所以，研究空间带电粒子作用下太阳电池辐照损伤效应和机理，对于正确评价太阳电池的在轨行为和提高太阳电池的抗辐照能力具有重要意义。

多年来，研究GaAs太阳电池的辐照损伤机理主要是分析太阳电池电学性能退化规律和电池内部辐照损伤微观缺陷。关于电学性能退化规律研究最具代表性的是美国喷气动力实验室的工作，B.E.Anspaugh[1]比较系统地研究了质子和电子能量对GaAs/Ge太阳电池电学性能的影响。电池电学性能退化规律研究的目的主要是为科学评价电池在轨行为提供实验依据，而对电池的辐照损伤机理研究却不够深入。随着太阳电池辐照效应分析手段的不断发展，深能级瞬态谱(DLTS)成为太阳电池辐照缺陷分析的有效手段[2-3]。鉴于多结叠层太阳电池结构的复杂性，X.Zhang[4]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。然而，单纯的辐照缺陷分析并不能从根本上揭示太阳电池辐照损伤的内在物理机制，空间带电粒子辐照下太阳电池内部载流子输运机制的改变是太阳电池电学参数发生退化的主要原因。M.A.Cappelletti[5]使用PC1D太阳电池模拟程序分析1 MeV电子辐照下InGaP/GaAs/Ge太阳电池中GaAs子电池的电学性能和电池内部载流子的输运性质。

为了进一步探索不同能量带电粒子辐照下太阳电池内部载流子输运机制的变化规律，胡建民[6]在GaAs/Ge单结太阳电池辐照损伤效应方面做了大量工作，以载流子的输运机制为基础建立太阳电池电学参数退化模型，为揭示空间太阳电池的辐照损伤机理奠定一定的理论基础。本文选取GaAs/Ge太阳电池为研究对象，建立不同能量电子辐照下GaAs/Ge电池的电学性能退化规律。在此基础上，根据电学参数退化模型分析电池载流子输运规律，旨在进一步阐明GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤机理。

1 实验

实验样品为GaAs/Ge单结太阳电池，用金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)制备，面积为2 cm×1.4 cm，其结构参数如图1所示。高能电子辐照实验使用ELV-8型电子加速器，电子束与样品垂直，样品室温度为25℃。入射电子能量分别为1和1.8 MeV，所对应的辐照注量为1×1011～2×1015cm－2，辐照通量为1×1011cm－2s－1[7]。

图1 空间GaAs/Ge太阳电池结构示意图

使用美国Spectrolab spectrosun solar simulator model X25 MarkⅡ型标准太阳模拟器在25℃，AM0(能量密度为136.7 mW/cm2)太阳光谱辐照条件下，参照太阳电池国际测试标准[8]对辐照前后电池样品的电学参数进行测试分析。

2 电子辐照下太阳电池短路电流退化结果分析

为研究不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池辐照损伤机制，本文通过地面等效加速模拟实验得到不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池归一化短路电流的退化曲线。图2是不同能量电子辐照GaAs/Ge太阳电池归一化(a)短路电流Isc和(b)开路电压Voc随辐照电子注量变化曲线。由图2(a)可知，不同能量的电子辐照后Isc随电子注量增加而降低，在一定的电子辐照注量下，GaAs/Ge太阳电池短路电流的退化幅度随电子能量的增高而增大。由于随着入射电子能量的增大其在电池内部产生的深能级缺陷浓度逐渐增高，从而导致一定辐照注量下太阳电池短路电流的退化幅度逐渐增大。

图2 GaAs/Ge太阳电池归一化短路电流随电子辐照注量变化的关系曲线

空间太阳电池归一化开路电压和短路电流的关系为：

式中：kB为玻耳兹曼常数；T为温度；q为电子电量；I0为反向饱和电流。对于确定太阳电池，I0与入射粒子的能量和注量有关。由式(1)可知，短路电流的退化决定了图2(a)中开路电压的退化规律。

GaAs/Ge太阳电池短路电流退化数学表达式[6]如下：

式中：a≈104cm－1为吸收系数；A=qaF(1－R)exp(－axj)为常量；F为入射通量；R为反射率；L0≈3 μm为扩散长度；xj≈0.3 μm为结深；KL为扩散长度损伤系数；Ф为辐照注量；J0为辐照前短路电流密度；Jsc为辐照后短路电流密度。为了更加深入地研究电子辐照下太阳电池内部载流子的输运性质，使用太阳电池短路电流退化模型式(2)对图2中太阳电池短路电流的退化规律进行非线性拟合，得到不同能量电子辐照下太阳电池少数载流子扩散长度损伤系数数值，列于表1。

??????????????????????????????????????/MeV 1 1.8??????????K/cm 2.54?10 3.66?10

由表1所列数据可知，根据太阳电池短路电流退化模型式(2)得到的少数载流子扩散长度损伤系数随入射电子能量的增高而增大，结果与图2中一定辐照注量下太阳电池短路电流退化幅度随电子能量变化的基本规律一致。上述结果一方面表明少数载流子扩散长度损伤系数是空间电子辐照下太阳电池短路电流发生退化的主要原因，另一方面也从载流子输运的角度验证了太阳电池短路电流退化模型的科学性。

3 结论

通过空间带电粒子地面加速等效模拟实验研究GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤机理，基于空间太阳电池电学参数退化模型分析不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池内部载流子的输运机制。研究发现，不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池短路电流和开路电压随入射电子注量的增加而发生明显退化，在同一能量和注量的电子辐照下短路电流的退化幅度明显大于开路电压。此外，在一定的辐照注量下GaAs/Ge太阳电池短路电流和开路电压的退化幅度随入射电子能量的增高而增大。进一步分析表明，GaAs/Ge太阳电池少数载流子扩散长度损伤系数随入射电子能量的增高而增大。上述结果说明，不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学参数发生退化的主要原因是太阳电池内部产生的辐照缺陷成为少数载流子的复合中心，使光生少子的扩散长度缩短造成的。研究空间带电粒子辐照下太阳电池内部载流子的输运性质是分析太阳电池辐照损伤物理机制的一个有效途径。

[1]ANSPAUGH B E.Proton and electron damage coefficients for GaAs/Ge solar cell[C]//Proceedings of the 22ndIEEE Photovoltaic Spacialist Conference.Las Vegas:IEEE,1991:1593-1598.

[2]WANG R,GUO Z L,ZANG X H,et al.5-20 MeV proton irradiation effects on GaAs/Ge solar cell for space use[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2003,77:351-355.

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[5]CAPPELLETTI M A,CEDOLA A P,PELTZER E L,et al.Computational analysis of the maximum power point for GaAs sub-cells in InGaP/GaAs/Ge triple-junction spacesolar cells[J].Semiconductor Science and Technology,2014,29:115025-115031.

[6]胡建民，王月媛.GaAs太阳电池空间带电粒子辐照损伤效应[J].北京：中国原子能出版社，2013：69-105.

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Performance degradation mechanism of GaAs/Ge solar cells under electron irradiation

SHENG Yan-hui,QI Jia-hong,HU Jian-min,ZHANG Zi-rui,WANG Yue-yuan
(School of Physics and Electronic Engineering,Ministry of Education Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang 150025,China)

The basic rules of GaAs/Ge solar cells degraded electrical parameters under 1 MeV and 1.8 MeV electrons irradiation were obtained through the accelerating ground equivalent simulation test for space charged particles.Nonlinearity of short-circuit current degradation curves of the solar cells was analyzed by its mathematical model.The change laws of minority carriers'diffusion length damage coefficient of space solar cells with the incident electrons energy were established.The results show that the minority carriers'diffusion length damage coefficient is one of the main reasons for short-circuit current degradation;short-circuit current degradation amplitude increases with the increase of the electron energy degradation.

GaAs solar cells;irradiation damage model;minority carriers'diffusion length

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1651-02

2016-01-29

国家自然科学基金项目(11075043)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541233)；黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2013010361)

盛延辉(1990—)，女，黑龙江省人，硕士，主要研究方向为空间太阳电池的辐照效应。

胡建民，hujianmin@foxmail.com；王月媛，yywang72@foxmail.com