1 MeV电子辐照下晶格匹配与晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池辐射效应研究

2017-04-12李占行艾尔肯阿不都瓦衣提玛丽娅黑尼孟宪松

发光学报 2017年4期

李占行，艾尔肯·阿不都瓦衣提，玛丽娅·黑尼，方亮，高伟，高慧，孟宪松，郭旗

(1. 中国科学院新疆理化技术研究所中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 中国电子科技集团公司第十八研究所, 天津 300381)

李占行1,2，艾尔肯·阿不都瓦衣提1*，玛丽娅·黑尼1，方亮3，高伟3，高慧3，孟宪松3，郭旗1

对采用MOCVD方法制备的晶格匹配(LM)与晶格失配(UMM)GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池进行了1 MeV电子辐射效应研究。结果表明：在电子辐照下，两种电池的I-V特性参数(开路电压Voc，短路电流Isc，最大输出功率Pmax)均发生衰降，且晶格失配电池的I-V特性参数衰降均大于晶格匹配电池。在光谱响应方面，对于顶电池，晶格匹配电池的衰降大于晶格失配电池；而中间电池则前者衰降小于后者；另外，Ge底电池的光谱响应表现特殊，辐照后光谱响应变强。

辐射效应；辐照退化；晶格匹配；晶格失配；三结太阳电池

1 引言

空间环境有着丰富的太阳能资源，地球每年接收太阳能总量为1×1018kWh[1]，是各类空间飞行器的主要能量来源。空间飞行器工作在非常复杂的空间辐射环境中。空间辐射主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射以及围绕地球的内、外范·艾伦辐射带等。复杂的空间辐射环境往往会对飞行器的电子设备造成严重破坏，太阳电池阵列也相同。为了保证空间飞行器能够稳定、可靠、长寿命地运行，开展空间用太阳电池的辐射效应研究具有重要的意义[2]。

Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的禁带宽度变化范围在0. 7 ～3. 4 eV,几乎覆盖了整个太阳光谱[3]，再加上多结叠层的结构，使其在太阳电池方面具有很大的应用潜力[4]。目前工艺较为成熟的量产多结空间太阳电池多是采用正向生长、晶格匹配的结构[5-6]，平均光电转换效率可达29.8%。转换效率更高的是反向生长三结 (IMM-3J)、四结(IMM-4J)晶格失配太阳电池，目前尚处于研制过程中。

在辐射效应研究方面，国内早进行过GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子辐照试验，发现GaAs中间电池在3个子电池中的抗辐照性能最差[7]，并且GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的低能质子辐照试验结果也表明GaAs中间电池在电特性的退化方面起主要作用[8]。通过不同质子能量下GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的辐照试验，研究了调整非电离能损值NIEL的计算方法对估算质子辐照产生的辐照退化的影响[9]。国外也做过很多相关方面的研究，如Sato 等通过仿真和实验相结合的方法研究了低能和高能质子辐照下GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的退化情况[10]，得出了比较有意义的结果。

空间辐射环境中材料晶格受高能粒子辐照而产生的位移损伤对太阳电池光电转换效率的退化起主要作用。目前，有两种类型的太阳电池在空间使用方面具有较高的潜力，分别为晶格匹配类型的太阳电池与晶格失配类型的太阳电池。对于GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，若满足晶格匹配条件，在生长过程中产生的晶格缺陷较少，但是GaInAs中间电池的短路电流比与其串联的GaInP顶电池和Ge底电池偏小[11]，三结电池的短路电流受到GaInAs中间电池的制约，造成各子电池的短路电流不匹配，进而影响太阳电池的转化效率。如果优先满足电流匹配的条件，却又无法同时满足晶格匹配。虽然可以通过生长缓冲层的方法来减少电池生长过程中缺陷的产生来获得较大的初始转化效率，但是在空间辐射条件下会产生相对较多的晶格缺陷，使转化效率的退化变得很严重。因此为了同时满足太阳电池高效率和耐辐照的双重要求，对比研究晶格匹配电池和晶格失配电池的辐射效应具有重大意义。

本文对晶格匹配的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01-As/Ge三结太阳电池和晶格失配的Ga0.43In0.57P/Ga0.92In0.09AS/Ge三结太阳电池同时进行电子辐照试验，研究辐照前后其电学参数和光谱响应参数的变化情况，为进一步揭示太阳电池光电转化效率的辐射退化机理提供实验依据。

2 实验

实验样品为通过AIXTRON 2800G MOCVD设备生产的三结太阳电池片。分别为晶格匹配(LM)的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge三结太阳电池和晶格失配的(UMM)Ga0.43In0.57P/Ga0.92-In0.08As/Ge三结太阳电池，其基本结构如图1所示，包括Ga0.51In0.49P顶电池、Ga0.99In0.01P中间电池、Ge底电池，各子电池间通过隧道结形成欧姆接触，并且三结电池均通过前表面接触和背接触来减少表面复合。晶格失配电池结构基本相同，最大区别在于Ga0.92In0.08As中间电池和Ge底电池间增加若干层渐变缓冲层。

图1 电池基本结构图, (a)晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99-In0.01As/Ge三结太阳电池；(b) 晶格失配Ga0.51-In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge三结太阳电池。

Fig.1 Basic structure of solar cells. (a) Lattice matched GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell. (b) Upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell.

电子辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所的ELV-8型电子加速器上完成。电子辐照在室温下进行，电子能量选取为1 MeV、辐照通量为1.0×1011e/(cm2·s)；垂直辐照样品。分别测试了辐照前和辐照注量分别为5.0×1014，1.0×1015，1.5×1015e/cm2时，样品的I-V特性参数(开路电压Voc，短路电流Isc，最大输出功率Pmax)和光谱响应参数。其中I-V特性参数的测试是在AM0和室温条件下，通过太阳模拟器(Spectrosun X25A)测得的。光谱响应的测试条件是：室温下，顶电池的波长扫描范围为320～750 nm，中间电池为500～1 100 nm，底电池为800～1 800 nm；测底电池EQE时，对其加正向偏压0.9 V，使底电池处于短路状态。

3 实验结果

图2、3、4分别为归一化的开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax随辐照注量的退化曲线。

可以得出：无论是晶格匹配电池还是晶格失配电池，其开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax的退化程度都随辐照注量的增加而增大，并且开路电压Voc的衰降程度要大于短路电流Isc。晶格匹配电池的开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax参数的衰降程度均要小于晶格失配电池。

图5、图6分别为辐照前后晶格匹配和晶格失配电池的光谱响应退化图。

图2 晶格匹配与晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池归一化的Voc随辐照注量的变化

Fig.2 NormalizedVocvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

图3 晶格匹配与晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池归一化的Isc随辐照注量的变化

Fig.3 NormalizedIscvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

图4 晶格匹配与晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池归一化的Pmax随辐照注量的变化

Fig.4 NormalizedPmaxvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

图5 辐照前和1.5E15e/cm2注量1 MeV电子辐照后的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池的归一化光谱响应比较

Fig.5 Spectral response curves of lattice matched GaInP/GaInAs/Ge cells before irradiation and after 1.5E15e/cm2irradiation, respectively.

图6 辐照前和1.5E15注量1 MeV电子辐照后晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池归一化光谱响应比较

Fig.6 Spectral response curves of upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells before and after 1.5E15e/cm2irradiation, respectively.

由光谱响应退化图线可以得出：这两种电池的外量子效率EQE均发生了不同程度的衰降，并且中间电池的衰降程度最大，是限制三结太阳电池抗辐照性能的关键因素。对于GaInP顶电池和GaInAs中间电池，当电子注量达到1.5×1015e/cm2时，GaInP顶电池光谱响应强度的退化主要发生在520～690 nm之间；GaInAs中间电池的光谱响应强度的退化也主要发生在520～690 nm之间，同样为长波方向。这两种子电池的光谱响应在其短波方向基本不发生衰降。晶格匹配电池Ga0.51In0.49P顶电池光谱响应退化程度要大于晶格失配电池Ga0.43In0.57P顶电池，而中间电池则表现相反。至于Ge底电池，其光谱响应均表现为辐照后增强。

4 分析与讨论

随电子辐照注量增加，无论是晶格匹配还是晶格失配GaInP/GaInAs/Ge太阳电池，其开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax的退化都随电子辐照注量的增加而增大。这是因为电子辐照样品时，会将能量以库伦散射碰撞的形式传递给晶格，在晶格内部产生大量缺陷，如空位、填隙原子等，即位移损伤效应[12-13]。这些缺陷破坏了晶格的完整性，在太阳电池内部起着复合、产生、陷阱或散射中心的作用，对载流子的产生和输运过程产生影响[14]，例如促进光生载流子复合、降低光生载流子浓度、降低少子寿命、缩短扩散长度等。随着辐照注量的增加，通过碰撞在太阳电池能部产生的缺陷数目快速增加，从而导致电学参数的退化急剧变大。

在相同的电子能量、辐照通量和注量情况下，晶格匹配电池的I-V特性参数的衰退程度要小于晶格失配电池。对于短路电流Isc和开路电压Voc，这两种电池的退化程度相差不是很大；而对于最大输出功率Pmax，当电池经受较大注量(1.5×1015e/cm2)时，晶格失配电池的退化程度要较大于晶格匹配类型的电池。

出现这种现象的原因是UMM类型的Ga0.43-In0.57P/Ga0.92In0.09As/Ge电池中的GaInAs中间电池和Ge底电池之间由于晶格常数相差较大，导致晶格失配。虽然在电池的生长过程中通过引入缓冲层的方法可以减少缺陷、位错的产生，但是在电子辐照下，失配界面处仍会更容易地产生较多的缺陷。缺陷作为非辐射复合中心同样会促进光生电子空穴对的复合，减小载流子的扩散长度，降低少数载流子的寿命[15]，导致太阳电池的I-V特性产生较大退化。

对于短路电流Isc和开路电压Voc，当辐照注量达到1.5×1015e/cm2时，晶格匹配电池Voc、Isc的衰降分别达到10.49%和6.61%；晶格失配电池Voc、Isc的衰降分别达到11.42%和9.60%。对于短路电流，衰降的原因主要是在基区和发射极产生的损伤，尤其是基区。产生在基区和发射区的缺陷作为非辐射复合中心，使光生电子-空穴对来不及到达结区被分开就已经发生了复合[16]。而对于开路电压，则主要是结区损伤的影响。

(1)

式中，KB为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Iph为光生电流，I0为二极管反向饱和电流。辐照感生缺陷在结区产生时，能够作为复合中心，导致反向饱和电流I0增加，使开路电压Voc发生退化。

实验结果表明：无论是晶格匹配还是晶格失配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，在1 MeV电子辐照下产生的缺陷对结区的影响要大于基区，而开路电压Voc的退化程度要明显大于短路电流Isc[17]。

在1 MeV电子辐照下，两种类型太阳电池的光谱响应均发生衰降，这同样是辐照感生缺陷的大量产生引起的。两类电池都是中间电池光谱响应的退化最为严重，充分说明提高中间电池的抗辐照性能是保证三结太阳电池抗辐照性能的关键因素。1 MeV电子辐照主要对各子电池的基区和结区造成损伤，对发射结的影响微乎其微，表现为子电池的光谱响应只在长波方向上发生衰降。

晶格失配电池顶电池中的In组分要大于晶格匹配电池。相较于构成该三结电池的其他元素，In的迁移能(Vin=0.26 eV)较小[18]，导致辐照感生缺陷更易通过退火而消失。

晶格匹配电池Ga0.99In0.01As中间电池的光谱响应的衰降程度相比晶格失配电池Ga0.92In0.09As中间电池的变化略小。Ge底电池与中间电池间由于晶格常数的失配，致使该两种子电池的界面处在电子辐照下更易产生大量的缺陷。这些辐照感生缺陷和晶格失配电池中间电池中较高的In元素含量的综合作用产生了图5及图6的结果。

Ge底电池辐照后与辐照前相比，光谱响应反而增强。这种情况被称为量子效率测量失真(Artifact external quantum efficiency)，在Ge底电池光谱响应测量中经常可以观察到[19-20]。

通过辐照前后光谱响应的退化可以看出：1 MeV电子辐照产生的缺陷主要位于结区或基区。由于存在晶格失配情况和In元素含量不同因素的综合作用，晶格失配太阳电池顶电池光谱响应退化小于晶格匹配电池；晶格失配太阳电池中间电池的光谱响应退化要略大于晶格匹配中间电池。而Ge底电池则观测到了量子效率测量失真的现象。

5 结论

综上所述，在1 MeV电子辐照下，无论是晶格匹配还是晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，中间电池是限制其抗辐照能力提升的关键因素。I-V特性和光谱响应均发生了不同程度的衰降是辐照感生缺陷大量产生造成的。在1 MeV电子辐照下，损伤主要在子电池的结区和基区产生，且结区的损伤更为严重，表现为开路电压的退化大于短路电流。子电池光谱响应主要在长波方向发生退化。子电池间晶格失配因素和In元素含量不同导致晶格失配电池的顶电池的光谱响应退化小于晶格匹配电池，但在中间电池上则是晶格失配电池光谱响应退化相对较大。Ge底电池的光谱响应辐照后变强的特殊情况是量子效率测量失真引起的。实验结果表明，晶格失配电池虽然在电学特性衰退上更严重，但整体抗辐照性能并未显著降低，同时具有高光电转换效率的优点，在空间应用方面表现出了更大的潜力。

致谢:感谢中国电子科技集团第十八研究所提供样品和在测试方面的帮助。

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李占行(1992-)，男，河北邢台人，硕士研究生，2014年于河北工业大学获得学士学位，主要从事多结叠层太阳电池辐射效应的研究。

E-mail: 1183419133@qq.com.艾尔肯·阿不都瓦衣提(1972-)，男，新疆阿克苏人，博士，研究员，2008年于芬兰阿尔托大学获得博士学位，主要从事半导体材料、新型光伏材料和器件、光电材料及器件辐射效应等方面的研究。

E-mail: erkin@ms.xjb.ac.cn

Radiation Effects of Lattice Matched and Upright Metamorphic GaInP/GaInAs/Ge Triple-junction Solar Cells by 1 MeV Electrons

LI Zhan-hang1,2, Aierken ABUDUWAYITI1*, Maliya HEINI1, FANG Liang3, GAO Wei3, GAO Hui3, MENG Xian-song3, GUO Qi1

(1.XinjiangKeyLaboratoryofElectronicInformationMaterialsandDevices,KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesforSpecialEnvironmentsofChineseAcademyofSciences,XinjiangTechnicalInstituteofPhysics&Chemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.TanjinLantianSolarTech.Co.,Ltd.,Tianjin300381,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:erkin@ms.xjb.ac.cn

In order to obtain the space solar cells which meanwhile satisfy the requirements of radiation resistance and high efficiency, the research on the radiation effects of solar cells in space is of great significance. 1 MeV electron irradiation effects on the lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cells were investigated for the fluence range from 5×1014e/cm2-1.5×1015e/cm2, and the irradiation flux of 1.0×1011e/(cm2·s) was investigated. The damage effects in the solar cells were studied by measuring their electrical properties and spectral response together. It is observed that the electrical parameters (Voc,Isc,Pmax) of both solar cells degrade seriously, and the degradation of upright metamorphic solar cell is higher than lattice matched cell. As to the spectral response results, the GaInP top cell of lattice matched solar cell degrades more than upright metamorphic solar cell, but the GaInAs middle cell of lattice matched solar cell degrades less than upright metamorphic solar cell. Besides, the spectral response result of Ge bottom cell shows very special in both solar cells: it becomes stronger after radiation. This is mainly in that the irradiation can produce displacement damage in the crystal lattice, and the irradiation defects as recombination center can decrease the carrier lifetime， diffusion lengthetc., and then affect the electrical properties of the solar cells.

radiation effects; radiation degradation; lattice matched; upright metamorphic; triple-junction solar cell

1000-7032(2017)04-0463-07

2016-10-10；

2016-12-01

中组部千人计划新疆专项；国家自然科学基金(11275262,61534008)资助项目 Supported by Xinjiang Special Project of Thousand Talents Program of The Central Organization Department; National Natural Science Foundation of China(11275262,61534008)

TN304.2+3; O475

10.3788/fgxb20173804.0463