三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

唐道远，徐建明，李云鹏，窦鹏程，马宁华，蒋 帅，吴 敏

（1.上海空间电源研究所空间电源技术国家重点实验室，上海 200245；2.西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西西安 710024）

0 引言

三结砷化镓（GaInP/GaAs/Ge）太阳电池以其转化效率高、抗辐照能量强等特点，近年来作为主电源系统［1-2］被广泛应用于各类航天器。当航天器运行至地球阴影区时，太阳电池将无法工作，为此设计三结砷化镓太阳电池与激光电池相结合的全天时电池翼，即在光照区时三结砷化镓太阳电池工作，而在阴影区时，利用激光照射激光电池进行远距离能量传输［3-4］。当激光照射在三结砷化镓太阳电池时，由于激光能量密度很高，会造成太阳电池的损伤，因此，有必要就三结砷化镓太阳电池的激光损伤形式及机理进行分析。

本文采用1 315 nm波长的连续激光，模拟空间环境，在真空条件下辐照三结砷化镓太阳电池，开展了激光损伤效应研究。

1 实验

1.1 三结砷化镓太阳电池结构参数

实验样品为三结砷化镓太阳电池，制作工艺主要包括有源层MOCVD沉积、栅线及背电极蒸镀、抗辐照盖片粘合固化等。电池结构如图1所示，自上而下分别为抗辐照玻璃盖片、盖片胶、栅线、GaInP顶电池、GaAs中电池、Ge底电池、背电极。顶、中、底三个子电池的带隙分别为1.85、1.42、0.67 eV，所对应的响应光谱波段分别为350～700 nm、700～880 nm、880～1 750 nm［7］。

图1 三结砷化镓太阳电池结构图Fig.1 Structure diagram of tri-junction GaAs solar cell

1.2 激光辐照实验装置及损伤表征

实验系统包括连续式激光器、扩束装置、光阑、真空腔室、红外测温及开压检测系统等，如图2所示。激光器的波长为1 315 nm，光束经扩束及光阑后，透过真空腔室的玻璃窗口，照射在三结砷化镓太阳电池样品表面。

图2 太阳电池真空激光辐照实验系统Fig.2 Laser irradiation system of solar cells in the vacuum

调节光斑大小使其完全覆盖电池样品，如图3所示，采用功率计对激光功率值进行标定，辐照时真空度达到10-3Pa以上，实时监测辐照过程中太阳电池开路电压及电池片温度变化。

图3 真空腔内电池样品及激光光斑Fig.3 Solar cell sample in the vacuum chamber and laser spot

三结砷化镓太阳电池的激光损伤情况由实验前后标准I-V电性能（AM0）、量子效率（QE）、SEM表面形貌三种测试进行表征。

2 实验结果与分析

2.1 激光辐照中电池在线检测

选择2、5、8 W/cm23个激光功率密度参数，固定辐照时间为60 s，每个参数选取2个三结砷化镓太阳电池样品。

激光辐照过程中电池样品温度T的变化曲线（测温仪量程自350 ℃起）如图4所示。温度曲线基本分为3个阶段，即温升段、热平衡段、降温段。在温升段，随功率密度增大，温升梯度增大显著；在热平衡段，随功率密度增大，热平衡温度逐渐增加，3个功率密度分别对应420 ℃、620 ℃、670 ℃；在降温段，由于热源的消失，电池样品温度骤降。

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图4 辐照过程中电池样品温度变化曲线Fig.4 Temperature change curves of the solar cell samples during irradiation

激光辐照过程中开路电压Voc的变化曲线如图5所示，随着电池温度的升高，Voc迅速降低。

图5 辐照过程中电池样品开压变化曲线Fig.5 Opening voltage change curves of the solar cell samples during irradiation

理想的PN结太阳电池开路电压Voc可表示为

也可以写成

当忽略小负数项时，该式可改写为

式中：A与温度无关；Eg0为00C时电池半导体材料的禁带宽度；γ包含确定I0的其余参数中与温度有关的因素，其数值通常在1～4范围内。

对该式求导，并考虑

可以得到

可以看出，随着温度升高，Voc近似线性减小。更加精确的计算表明GaInP顶电池dVoct/dT≈-2.2 mV·K-1，GaAs中电池dVocm/dT≈-2.0 mV·K-1，Ge底电池dVocb/dT≈-1.8 mV·K-1。三结砷化镓太阳电池Vtriple=Vt+Vm+Vb，因此，dVoc/dT≈-6.0 mV·K-1［8-9］。由于三结砷化镓太阳电池样品Voc在2 600 mV左右（AM0，25℃），可以得到电池温度为450 ℃时，Voc趋近于0 V。

实验结果也证实了Voc随温度升高而降低的此近似线性的负温度系数。5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品，分别在辐照后10 s和7 s后，温度到达450 ℃，Voc降为0 V；2 W/cm2功率密度对应的电池样品，由于在辐照60 s内最高温度未超过450 ℃，因此Voc的变化曲线与温度T曲线保持反向一致，最低值约为0.2 V。辐照结束后，2 W/cm2和5 W/cm22个功率密度对应的电池样品，Voc随着温度的降低而逐渐恢复；8 W/cm2功率密度对应的2个电池样品中，有1个电池样品Voc发生明显衰降，无法恢复。

2.2 激光辐照后电池性能表征

真空激光辐照实验后电池样品的外观图片如图6所示。2 W/cm2电池样品前后表面没有发生明显变化；5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品，前后表面都有明显烧蚀的痕迹，这是由于盖片胶、背电极层在高温下发生热分解。虽然经模式变化光斑能量趋于均匀，但在电池表面激光能量还是呈现近高斯分布的特点，即中心区域能量密度更高，造成的热分解效应也更加明显。

图6 辐照后电池样品正背面外观Fig.6 Front and back appearance of the solar cell samples after irradiation

图7为激光辐照后电池在AM0光谱下测试的标准I-V曲线，2 W/cm2电池样品I-V性能与标准片比较没有明显的变化；5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品I-V性能都发生了程度不同的衰降，8 W/cm2有一个电池样品发生了明显损坏。

图7 辐照后电池样品I-V 性能测试Fig.7 I-V parameters of solar cells after irradiation

各电池样品激光辐照实验后I-V性能的相对衰降率见表1。2 W/cm2电池样品的各I-V参数基本没有变化；5 W/cm2电池样品的各I-V参数均有一定程度的下降，其中Vm、Im衰降率均在6%左右，Eff衰降率约13%；8 W/cm2电池样品的各参数衰降进一步扩大，Vm、Im衰降率均在18%左右，Eff衰降率约35%，对于发生损坏的电池样品，Voc、FF衰降率大于35%，Eff衰降率大于70%。

表1 辐照后电池样品IV参数相对衰降率Tab.1 Relative I-V degradation rates of the solar cell samples after irradiation %

激光辐照实验后电池串联电阻（Rs）与并联电阻（Rsh）的测试数值如图8所示。2 W/cm2和5 W/cm2电池样品Rs、Rsh变化规律不明显；8 W/cm2电池样品的Rs显著增大，Rsh显著减少。特别是损坏的电池样品，Rsh值只有11 Ω，与正常的电池样品比较降低了2个数量级。

图8 辐照后电池样品串并联电阻值Fig.8 Resistance values of the solar cell samples in series and parallel after irradiation

图9和表2为辐照后电池样品QE测试结果。可以看出2 W/cm2电池样品的各子电池量子效率与标准片比较没有明显变化，5 W/cm2电池样品的顶电池与底电池量子效率发生部分衰降，8 W/cm2电池样品的顶电池与底电池发生严重衰降。

图9 辐照后电池样品量子效率Fig.9 QEs of the solar cell samples after irradiation

表2 辐照后电池样品各子电池光谱响应电流Tab.2 Spectral response current of sub-cells of the solar cell samples after irradiation mA·cm-2

表3和图10为辐照（8 W/cm2，60 s）前后电池背电极SEM图及EDS元素分析。背电极采用与P型Ge衬底具有良好欧姆接触的Pd/Ag/Au复合金属层，可以看出辐照前电极层致密连续，表面EDS谱图Au元素特征峰显著；辐照后背电极层发生了明显的形貌变化，金属层不再致密连续，呈现相互独立的点状分布，EDS元素分析表明Ge衬底已大面积裸露，点状区域呈现相关金属元素与Ge的合金态，Pd/Ag/Au结构已经完全破坏。

表3 辐照前后背电极表面元素质量分数Tab.3 Element mass fractions of the back electrode surface before and after irradiation %

图11所示为辐照（8 W/cm2，60 s）前后电池截面SEM图，可以看出与辐照前比较，盖片胶基本已气化消失，玻璃盖片与电池裸片层已经完全分离。

图10 背电极表面SEM及EDS辐照前后对比Fig.10 SEM images and EDS spectra of the back electrode surface before and after irradiation

图11 电池样品截面SEM辐照前后对比Fig.11 SEM images of the solar cell sample section before and after irradiation

3 激光辐照损伤机理分析

由于激光波长为1 315 nm，光子能量未达到顶电池GaInP和中电池GaAs的禁带宽度，对两者无光电效应，绝大部分的光子将穿过顶电池和中电池达到底电池。在Ge底电池发生光电效应，电子吸收光子从价带跃迁至导带，形成光生载流子，在PN结内建电场的作用下，底电池两端光生载流子大量聚集。当产生的漂移电场与内建电场相互平衡时，产生的新光生载流子将完全复合，并与声子相互作用，将激光能量完全转换为热能被底电池吸收。

典型的GaInP/GaAs/Ge三结电池由近20层材料结构构成，每层材料质量都会影响器件性能。高温将加剧内部掺杂原子的热扩散作用，破坏有序的掺杂结构。由于顶电池采用具有场助收集效应的n+-n-/p--p+结构［10-11］，底电池采用减薄型GaAs-Ge异质界面扩散结构［12］，使得顶电池与底电池对于热扩散破坏效应更加敏感，高温将破坏内建电场对光生载流子的有效输运，增大界面复合，严重影响顶电池与底电池载流子收集，使电池串联电阻Rs增大，并电阻Rsh减小。此外高温引起背电极金属层的变形，Pd/Ag/Au结构被破坏，Ge衬底大面积裸露，将影响电池层与电极层的欧姆接触，进一步增大电池的串联电阻Rs。

图12为太阳电池等效电路图，其输出I-V特性方程为

式中：Iph为光生电流；ID为暗电流；Ish为漏电流。

图12 太阳电池等效电路图Fig.12 Equivalent circuit diagram of the solar cell

根据特性方程，串联电阻Rs的增大与并联电阻Rsh的减小都将降低电池的填充因子FF，而且高的Rs值和低的Rsh值还会分别减小Isc和Voc，如图13所示。

图13 太阳电池I-V 特性曲线Fig.13 I-V characteristic curves of the solar cells

5 W/cm2功率密度电池样品会迅速升至500 ℃以上，引起盖片胶（硅氧烷类材料）中硅氧键的热裂解，降低其透光性，主要影响电池的Isc。8 W/cm2功率密度将引起盖片胶发生剧烈的裂解反应，产生的小分子硅氧化合物使盖片胶发生气化，造成中心区域的体积膨胀。膨胀引起机械应力与温度骤变的热应力会在电池样品内部产生微裂纹，使得电池材料内部产生大量的复合中心与漏电通道，严重降低电池的并联电阻Rsh，使得电池Voc大幅度衰降。

4 结束语

真空环境下采用波长1 315 nm连续激光辐照三结砷化镓（GaInP/GaAs/Ge）太阳电池，实验表明：5 W/cm2功率密度辐照60 s会造成电池性能的损伤，8 W/cm2功率密度辐照60 s会造成电池性能的损坏，效率Eff衰降超过70%。5～8 W/cm2功率密度范围，三结砷化镓电池损伤程度随功率密度增加而增大，但电池样品是否发生损坏与样品本身特性关系密切，即损坏表现出随机性。

损伤机理是热损伤与应力损伤的综合作用：高温将破坏三结砷化镓太阳电池内部掺杂结构，引起盖片胶与背电极材料的热分解，主要影响顶电池与底电池对载流子的收集，增大串联电阻Rs，减小并联电阻Rsh。盖片胶热解膨胀引起的机械应力与热应力的综合作用将在电池材料内部产生微裂纹，进一步减小并联电阻Rsh，引起开路电压Voc大幅度降低，最终造成电池的损坏。该结果对三结砷化镓太阳电池在激光无线能量传输中的应用研究具有一定的参考价值。