太阳电池组件高能电子辐射效应研究

张永泰 ，秦 玮，杨艳斌，于 强，姜海富，柴丽华

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室, 北京 100094；2.北京工业大学 材料学院, 北京 100124）

太阳电池组件高能电子辐射效应研究

张永泰1，秦 玮1，杨艳斌1，于 强1，姜海富1，柴丽华2

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室, 北京 100094；2.北京工业大学 材料学院, 北京 100124）

研究空间高能电子辐照对单结GaAs太阳电池组件短路电流、开路电压以及输出功率的影响，分析了组件电性能退化机理。高能电子辐照造成单结GaAs太阳电池组件导线及环氧树脂基板颜色加深；随辐照注量的增加，单结GaAs太阳电池组件短路电流、开路电压以及输出功率逐渐下降。当电子注量达到1.0×1015e/cm2时，电池组件输出功率下降到初始值的79.0 %。组件电性能的退化主要是电池辐照损伤所致。

电池组件；高能电子；短路电流；开路电压；输出功率

引言

太阳电池阵是航天器重要的供电系统，它将太阳光能转化成电能，供给航天器的各个系统使用[1～3]。空间环境包括电子、质子、原子氧、热循环及空间碎片等，航天器在轨服役期间，位于舱外的太阳电池阵将遭受空间环境的作用，导致其输出功率下降，严重时甚至造成整个电池阵的失效[4～6]。因此，有必要研究空间环境对太阳电池阵输出特性的影响。目前，国内外对于太阳电池阵空间环境效应的研究主要集中在材料级，组件级的报道较少。但由于组件级实验能够更加真实地模拟电池阵的空间使用状态，具有材料级实验无法替代的优势，已越发引起人们的重视。

基于此，本文针对单结GaAs太阳电池组件开展了高能电子辐照实验研究，分析了电池组件输出特性的变化，对航天器用太阳电池阵的设计优化提供了依据。

1 试验

1.1 材料

单结GaAs太阳电池组件（如图1）由2片尺寸为40 mm×30 mm的太阳电池片组成，电池片粘贴于环氧树脂基板上。单结GaAs太阳电池组件由中国电子科技集团公司第十八研究所生产。

1.2 仪器设备

单结GaAs太阳电池组件辐照实验在高能电子加速器上进行，加速器能产生高通量、高稳定性电子束，用于材料及器件的空间电子辐射效应研究。

试验前后，利用太阳模拟器模拟AM0（大气质量为零的太阳光谱分布），在1 353 W/m2，25 ℃的条件下，测试太阳电池组件辐照前后的I-U输出特性，测量值包括短路电流（Isc）、开路电压（Voc）和输出功率（Pm）。采用Lambda950型紫外、可见光分光光度计，测试组件电池片反射光谱。采用光致发光光谱仪对组件电池片的荧光光谱（PL）进行测试。测试系统用325 nm短波长激光激发半导体材料产生荧光。

1.3 试验参数

电子辐照注量的选取以GEO轨道（高度36 000 km）卫星15年的累积剂量为依据，GEO带电粒子环境主要来源于辐射带粒子和太阳耀斑质子。计算方法先通过软件计算得到GEO带电粒子的分布，其中辐射带粒子采用AE8/AP8模型，太阳质子采用JPL91模型，然后将GEO轨道的带电粒子环境等效为1 MeV电子的影响，并考虑电池表面玻璃盖片对高能电子的衰减作用（计算选用玻璃盖片厚度为90 μm）。图1为辐射带电子和质子以及太阳耀斑质子的积分能谱。

通过计算可知15年GEO粒子环境对带90 μm玻璃盖片单结GaAs太阳能电池的影响可以等效为1.0×1015e/cm2的1 MeV电子辐照对无盖片单结GaAs太阳电池的影响。考虑到实验余量，选取如表1所示参数对电池组件进行辐照实验。

2 结果与讨论

2.1 伏安特性曲线

图3给出了实验前后单结GaAs太阳电池组件典型伏安特性曲线图。可以看出在1 MeV电子辐照作用下，当辐照注量达到1.3×1015e/cm2时，电池组件的短路电流和开路电压均出现明显下降，曲线的弯曲程度减小，说明电池组件性能发生了衰退。

2.2 宏观形貌

电子辐照实验后，对电池组件宏观形貌进行了拍照，如图4所示。通过与图1对比，发现辐照前后电池片、互联片外观形貌及颜色没有明显变化，但导线及基板颜色加深。太阳电池组件用导线和基板均是聚合物材料，高能电子辐照作用会造成聚合物材料分子链的断键、交联，影响材料表面官能团种类和数量，还会造成材料表面粗糙度的变化，从而影响材料的光学特性，导致其表面颜色改变[7,8]。

图1 单结GaAs太阳电池组件

图2 辐射带电子和质子以及太阳耀斑质子积分能谱图

表1 实验参数表

图3 实验前后单结GaAs太阳电池组件伏安特性曲线

图4 电子辐照前后单结GaAs电池组件外观形貌

2.3 输出特性变化

实验前后测试了电池组件短路电流、开路电压以及输出功率数据，并进行了归一化处理，如图5所示。可以看出，电子辐照实验后，电池片的短路电流、开路电压以及输出功率均发生了衰减，且随着电子注量的增加，衰减幅度增大。当电子注量达到1.0×1015/cm2时，电池输出功率下降到初始值的79.0 %。

2.4 反射光谱

不同注量电子辐照时单结GaAs电池片的反射率变化如图6所示。可以看出电子辐照前后，电池的反射率变化不明显。为提高电池光电转换效率，电池片表面一般镀制减反射膜，材质为TiO2、SiO2等。电子辐照前后电池片反射率结果表明不同注量电子辐照对单结GaAs太阳电池减反层的光学特性影响不大。

图5 单结GaAs电池组件输出特性随电子注量的变化图

图6 太阳电池光谱反射率变化图

2.5 荧光光谱

PL测试是一种无损测试方法，可以快速、便捷地表征半导体材料缺陷、杂质以及材料的发光性能。GaAs体材料光致发光效应显著，理论上纯GaAs的激光波长为840 nm[9]。

图7为不同注量电子辐照后电池PL谱变化。可以看出，辐照前光谱在波长为870 nm处有一个很强的峰，这是掺杂GaAs的特征峰。经电子辐照后，随着辐照注量的增加，GaAs特征峰强度越来越低，同时产生了红移效应，说明GaAs晶体点阵的完整性受到了破坏，即有大量辐照缺陷产生。

图7 太阳电池PL谱

不同电子注量下GaAs电池的PL光谱变化与激子效应相关。激子的有效波尔半径Bα服从下式：

式中：

m0—电子静质量；

ε—相对介电常数；

由公式（1）计算可知，GaAs点阵中激子的波尔半径约为10 nm，当高能电子辐照时，电池晶格的完整性被破坏，波尔半径增大。致使激子数量减小，电池光致发光峰强度降低，电子辐照注量的增大会加剧峰强下降的程度。

从图7中可以看出，电子辐照后GaAs电池的光致发光峰位发生了红移，这与GaAs内部产生的大量晶格原子位移效应有关。电子辐照时，一方面入射电子会通过碰撞，使晶格原子位移，称为初级位移；另一方面，初级位移原子又可以与其它原子碰撞，引发次级位移。原子位移效应会形成许多空位-间隙对，扰乱了晶格的完整性，造成PL谱线红移。

总之，辐照损伤是导致电子作用下单结GaAs太阳电池组件电性能退化的主要原因。电子辐照使电池点阵空间的完整性受到破坏，产生的激子数目减少，同时还引入了新的陷阱，致使电性能下降。

3 结论

1）高能电子辐照造成单结GaAs太阳电池组件导线及环氧树脂基板颜色加深，电池片外观无明显变化。

2）高能电子辐照后，单结GaAs电池组件性能发生了衰退。随电子辐照注量的增加，组件短路电流、开路电压以及输出功率逐渐下降。当电子注量达到1.0×1015e/cm2时，电池输出功率下降到初始值的79.0 %。

3）高能电子辐照下单结GaAs电池的辐照损伤是造成太阳电池组件电性能退化的主要原因。电子辐照破坏了电池点阵空间的完整性，产生的激子数目减少，产生了大量的辐照缺陷，引起电池组件电性能下降。

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Research on High Energy Electron Irradiation Effect of Solar Cell Modules

ZHANG Yong-tai1, QIN Wei1, YANG Yan-bin1, YU Qiang1, JIANG Hai-fu1, CHAI Li-hua2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing 100094;2. School of Materials Science & Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

This paper studies the high energy electron irradiation effect on short circuit current, open circuit voltage and output power of single junction GaAs solar cell modules, analyzes the degradation mechanism of modules. The results indicate that high energy electron irradiation makes wire and epoxy resin substrate darken after test. The short circuit current, open circuit voltage and output power are decreased with increasing electron fluence. The degradation of solar cell modules output power can reach to 79 % of the initial value in case of 1.0×1015e/cm2electron fluence. High energy electron irradiation damage effect leads to the electrical property degradation of GaAs solar cell modules.

solar cell modules; high energy electron; short circuit current; open circuit voltage;output power

TM 914.4

B

1004-7204（2017）05-0031-05

张永泰，1987年出生，主要从事航天器空间环境效应研究。

姜海富，1980年出生，博士，高级工程师，主要从事航天器空间环境效应及防护技术研究。