基于布拉格反射器的空间用四结砷化镓太阳电池抗辐照性能研究*

颜平远, 涂洁磊, 张炜楠, 徐晓壮, 宋冠宇, 孙晓宇

(云南师范大学 太阳能研究所,可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室,云南 昆明 650500)

1 引 言

多结太阳电池因对太阳光谱充分利用具有比单结太阳电池更高的转换效率以及更好的抗辐射性[1]，其中每个单独的子电池吸收对应波长范围的光并转换为电流，因此子电池之间的电流匹配成为获得高效多结太阳电池的关键因素.此外，在空间环境中存在许多带电粒子[2]，当半导体器件暴露在这些带电粒子环境下时会引起电学性能的退化进而影响其稳定性.目前空间服役的是正向晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，研究人员发现GaAs中电池在受到高能质子或电子辐照后损伤最为严重[3].Emcore团队报道了1 MeV高能电子辐照下倒置生长(Invert metamorphic,IMM)四结太阳电池的损伤效应，发现ln0.3Ga0.7As(1.0 eV)子电池辐照后电学性能退化最严重[4-5],因此研究人员开始寻找方法来提高太阳电池的抗辐照能力,其中Emelyanov等人研究了GaAs电池在 3 MeV电子辐照下的性能变化，并验证了添加布拉格反射器(DBR)结构的太阳电池理论上抗辐照的可行性[6].此外，目前DBR结构在三结太阳电池中已有相关应用[7]，但是在四结砷化镓太阳电池中的应用还处于探索阶段.

2 DBR的设计与模拟

2.1 DBR原理及相关计算

DBR是由外延法沉积出的多层高折射率和低折射率材料组成交替的周期性结构.当光射入这些不同折射率的材料对时，由于各膜层界面反射的光满足光学干涉条件，这些光就会互相结合在一起形成反射光.当膜层的反射光束中相邻两光束的相位差为π时反射最强，并且当层数达到一定的周期时，在中心波长λ0范围内的光便可实现接近100%的反射.DBR结构中的膜系恰恰能满足每层材料的光学厚度d为中心反射波长的1/4并且在各界面的反射光发生干涉相长，高低折射率材料膜层厚度tH和tL分别满足

tH=λ0/(4nH),tL=λ0/(4nL)

(1)

式中λ0为中心波长.nH是高折射率材料的折射率，nL是低折射率材料的折射率，DBR结构的前后接触层折射率分别为n0和nS，膜系上层为高折射率层，假设材料无吸收损耗，则对应中心波长λ0的反射率可表示为

(2)

另外DBR结构高反射区的带宽可以表示为

(3)

因此，DBR结构对数与材料折射率比值大小同反射率密切相关，高反射区带宽只与两种材料的折射率相关，折射率差值越大，带宽越宽.

2.2 DBR材料选择

从光谱角度考虑，为了提高多结太阳电池中电流限制结中的光电流，应该设法将电流限制结波长范围内的光进行充分利用，为此通过减薄顶中电池厚度，减少光子在到达空间电荷区前的扩散过程中复合，并考虑在电流限制结下嵌入合适的DBR结构使其能够反射光以提升子电池的电流，最终达到提高整个电池性能的目的.DBR结构的生长材料有很多种，经过理论分析并结合材料晶格匹配程度，发现能够嵌入到多结太阳电池中的DBR生长材料主要有以下5种： AlInP/GaInP、AlAs/GaAs、GaInP/GaAs、AlInP/GaAs、AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs.在这几种材料中，GaAs本身是子电池的材料会产生干扰，实际生产中高质量的AlInP又难以生长.因此AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs是生长布拉格反射器较为理想的材料，不同组分的AlGaAs膜层材料在波长300-1 800 nm的折射率对比如图1所示.

从图1中可以看出，折射率最高的是Al0.1Ga0.9As，折射率最低的是Al0.9Ga0.1As.结合中心波长范围需控制在电流限制结光谱范围内的设计目的，观察该范围内各材料折射率大小，最终选择x=0.1,y=0.9，因此选定膜层材料为高折射率层Al0.1Ga0.9As，低折射率层为Al0.9Ga0.1As.

图1 不同组分AlGaAs膜层材料的折射率与波长对应关系

2.3 中心波长选择

文中的四结砷化镓太阳电池为GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As，考虑到第三结子电池很有可能是电流限制结，所以设想在In0.3Ga0.7As子电池下方嵌入DBR结构.根据DBR设计原理，膜系高折射率层与低折射率层之间折射率比值越大越好，随着波长大于880 nm，高折射率膜层Al0.1Ga0.9As与低折射率膜层Al0.9Ga0.1As的比值不断下降.又因In0.3Ga0.7As子电池吸收光谱波段为880-1 250 nm，且四结砷化镓太阳电池在900-1 000 nm范围内光谱响应较低，因此选择中心波长λ0为960 nm，根据公式(3)计算出该DBR结构的高反带宽为165 nm，完全可以覆盖四结太阳电池的低光谱响应区域，因此经过计算得到在960 nm处两种膜层材料的折射率分别为3.48和3.08，对应的膜层厚度分别为67.19和80.76 nm.

2.4 DBR对数计算

使用Macleod软件对引入四结砷化镓太阳电池中的DBR结构进行模拟，充分考虑入射环境，设置中心波长960 nm，入射材质为In0.3Ga0.7As，基底材质为In0.58Ga0.42As，其中引入的这两种材质对应的(n，k)谱分别如图2所示.

利用Macleod软件分别模拟生长10个和15个周期的Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As，波长分析范围为300-1 800 nm，其反射率与波长的关系如图3所示.进一步模拟发现膜层的周期数越大DBR的反射率越高，事实上当周期数达到20时反射率接近100%，此后周期数的增加反射率基本保持不变.当周期数超过15后，每增加一个周期，反射率的增幅就很小，而且在实际生产中膜层越多质量也越难保证.从图3中看出在四结砷化镓太阳电池的低光谱响应区900-1 000 nm范围内，15个周期的DBR反射率超过70%，在中心波长处反射率更是高达98.4%，因此选定15个周期作为DBR的生长结构.

图2 In0.3Ga0.7As和In0.58Ga0.42As材料的折射率和消光系数

3 DBR结构抗辐照验证

3.1 实验样品制备

实验样品为3个IMM4J太阳电池，均通过金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)制备，每个样品面积为3×4 cm2，并对各太阳电池进行1 MeV高能电子辐照实验，辐照设备采用ELV-8电子加速器，在室温和AM0(辐照功率为1 367 W/m2)条件下进行辐照实验，电子能量选取1 MeV，瞬时通量为1×1011e/(cm2·s)，注量为1×1015e/cm2，辐照时间为10 000 s，辐照前后均进行I-V测试，对比分析辐照前后的电学性能参数.

图3 不同周期对数的DBR结构反射率与波长对应关系

图4 (a) A号太阳电池基准工艺结构;(b) B号太阳电池减薄GaInP、GaAs子电池厚度(c) C号太阳电池减薄GaInP、GaAs子电池厚度并嵌入DBR结构

图4 (a)中的基准工艺是指正常外延条件生长的倒置四结砷化镓太阳电池(IMM4J)；图4 (b)中的顶中电池厚度减薄则是相对减少了第一结子电池GaInP和第二结子电池GaAs的基区厚度；图4 (c)中在减薄顶中电池的基础上，将15对Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR引入电池外延结构中.

3.2 实验结果与分析

从图5中可以看到在800-1 300 nm波长范围内的A号电池和C号电池的反射率，结果发现实验制备出来的含有DBR结构的太阳电池C在中心波长952 nm处的反射率最高，达到92.3%，且高反射区间在设计范围内，实验结果与Macleod软件模拟结果差异不大，说明实验已成功制备出了达到预期效果的电池.

通过对比表1中的数据发现，电子辐照之前，在基准外延工艺的基础上减薄IMM4J电池中的顶中电池厚度之后，电池对光子的吸收能力降低，导致短路电流(Isc)和电池效率明显降低.

经过电子辐照过后，太阳电池的电学性能会发生明显衰减，主要原因是由于高能粒子辐照引入了深能级缺陷，并且这些缺陷作为复合中心，降低了光生载流子寿命，从而减少了光生载流子的扩散长度，降低了收集光子效率，最终导致各项电学性能降低.

图5 DBR结构对太阳电池反射率的影响

表1 不同结构的太阳电池辐照前后电学性能影响

但是，通过对比A和B号太阳电池辐照前后性能的衰减程度发现，减薄顶中电池厚度的电池经过辐照之后，Isc和电池效率衰减程度均较小，且辐照之后的电学性能均比基准工艺要好，由太阳电池非辐射复合电流密度的公式[8](4-5)也可看出减小电池吸收区厚度可以减少非辐射复合电流密度，从而减少辐照缺陷造成电池的效率衰减，实验结果表明减薄顶中电池厚度的电池辐照后电学性能的衰减幅度比正常工艺条件下的电池要小，而且辐照后的电学性能要比基准工艺条件下好.

JSRH≈JAe-(Eg-Eu)/2kTe-qV/2kT(eqV/kT-1)

(4)

(5)

同时，在减薄顶中电池厚度的基础上，生长15对Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR结构在In0.3Ga0.7As子电池下方.观察表1数据发现，在电子辐照之前，增加DBR结构之后，导致Isc和电池效率均明显增大.这是由于DBR结构能够对特定波段的光进行二次吸收，在一定程度上弥补了顶中电池减薄的影响，在经过电子辐照之后，C号电池辐照后的各项电学性能均要优于A号电池和B号电池，这表明生长的这15个周期的DBR结构起到了良好的反射作用，明显改善了四结砷化镓太阳电池的电流衰减，提升了抗辐照性能.

4 结 论

提出在四结砷化镓太阳电池中In0.3Ga0.7As子电池下生长DBR结构的设想，同时利用Macleod软件理论计算出由15对Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As材料组成的适用于四结砷化镓太阳电池的DBR结构，并且成功制备出含有该DBR结构的电池，最终模拟得出在中心波长960 nm处有98.4%的反射率,与实验结果基本吻合.另外对比分析了有无该DBR结构的四结太阳电池电学性能辐照衰减，确定引入该理论DBR结构的四结太阳电池各项电学性能衰减幅度比未引入DBR结构电池要小，说明引入该DBR结构的四结砷化镓太阳电池在抗辐照方面有积极作用，能够改善电学性能衰减从而提升了抗辐照能力.