基于薄膜干涉理论的三阶砷化镓电池散射光谱研究

李 鹏，李 智，徐 灿，方宇强

1. 航天工程大学研究生院，北京 1014162. 航天工程大学，北京 101416

引 言

太阳能电池是保证卫星正常工作的重要电力来源。随着太阳能电池制造技术发展，三阶砷化镓电池已将光谱吸收限红移至1 800 nm，基本实现太阳光谱的全吸收，因此目前卫星上主要采用三阶砷化镓电池。

由于太阳能帆板体积和表面积通常较大，因此对卫星的光学散射特性影响较大[1]。在NASA的支持下，约翰逊航天中心对300多种空间目标材质的光谱特性进行了测量，建立了较为完备的光谱数据库。俄罗斯国家工程物理研究将太阳能电池阵作为一大类重要空间目标表面材质，开展老化对材质光谱的影响。加拿大Bedard[2]等以Can X-1工程试验小卫星为研究对象，对其表面主要材质铝以及Emcore 三阶砷化镓电池的光谱双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)进行了建模与分析。美国空军学院在春分点附近对两颗地球同步轨道(geosynchronous orbit,GEO)卫星进行观测时，发现造成卫星亮度闪光的主要部件是太阳能帆板[3]。在此基础上，徐灿[4]等对地面观测GEO卫星帆板闪光现象的规律进行了光度仿真验证。国内长春理工大学、光电研究院等机构对卫星表面包覆材料、硅太阳能电池、白漆涂层的光谱BRDF进行测量研究[5-7]，但是对目前广泛采用的三阶砷化镓电池研究较少。三阶砷化镓电池研究重点主要在如何提高电池的光电转换效率上[8]，但是电池的结构和工艺对其散射光谱的影响并没有得到广泛关注，而三阶砷化镓电池散射光谱对卫星帆板识别和指向确定具有重要意义。本文以三阶砷化镓电池为研究对象，首先对其散射光谱进行测量，并与硅基太阳能电池散射光谱对比发现三阶砷化镓电池特有的可见光波段的吸收特性以及近红外波段的干涉特性； 利用薄膜干涉理论，建立基于多层膜系的光谱反射率模型，对三阶砷化镓电池的吸收特性以及干涉特性进行解释分析。

1 实验部分

1.1 装置

散射光谱实验测量装置如图1所示，主要由法国REFLET 180S和美国ASD公司FieldSpec@4 光纤光谱仪组成。由于三阶GaAs电池样片镜反射现象明显，为得到准确的散射光谱值，需要高精度的转台控制系统。REFLET 180S是Light Tec公司开发的高精度自动化测量样片散射BRDF的测量系统，其角度控制精度为0.01°，并且可以提供稳定光源和黑暗背景，因此选用REFLET 180S作为光源和转台控制系统。FieldSpec@4 光纤光谱仪具有高光谱分辨率(3 nm@700 nm,10 nm@1 400/2 100 nm)和宽光谱范围的优点(350～2 500 nm)，因此选用FieldSpec@4 作为光谱探测器。考虑到REFLET 180S 内置光源光谱范围，本次实验选取的波长范围为400～1800 nm。

图1 光谱反射率测量系统Fig.1 Spectral reflectance measurement system

1.2 原理

采用单一比较法测量三阶砷化镓电池的光谱反射率。由于太阳能电池片的强镜反射特性，若采用常规的聚四氟乙烯(F4)压制的白板，在镜反射方向附近的样片光谱反射率将远大于1，这与实际情况是不符的，因此对于镜反射类型材质样片，实验中采用REFLET 180S配备的由美国计量院标定的标准平面反射镜作为定标体，其镜反射方向光谱反射率基本都在0.95以上，设镜反射方向标准平面反射镜的光谱反射率为ρcal。光谱反射率测量原理： 设入射角为θi，反射角为

图2 光谱反射率测量流程Fig.2 Flow chart of spectral reflectance measurement

θr，ASD测量的太阳能电池样片光谱原始灰度(digital number,DN)值为DNmaterial，标准平面反射镜的光谱DN值为DNcal，则在(θi,θr)方向上样片的光谱反射率ρ为

(1)

实验采用逐点测量的方法。测量入射角θi选取5°，15°，30°，45°，60°，因为太阳能电池片的强镜反射性，选择的反射角θr=θi±2°，角度间隔为0.1°。光谱反射率测量流程如图2所示。

1.3 测量结果

图3为入射角30°时三阶砷化镓电池光谱反射率曲线。

从图3中可以看出，三阶砷化镓电池光谱反射率曲线具有三个特征：

(1)三阶砷化镓电池散射光谱镜反射现象明显。在镜反射时(θr=θi)，光谱反射率值最高，随着反射角逐渐偏离镜反射方向，反射率逐渐降低。当反射角偏离镜反射方向2°时，光谱反射率已经降到0.05左右。三阶砷化镓电池的强镜反射特性与卫星的光度特性中偶尔观测到帆板闪光现象的结论是一致的[4]。

(2)可见光波段存在明显吸收峰。在可见光波段600～850 nm之间，反射光谱曲线中均出现三个明显吸收峰，硅基电池并没有这种吸收特性，说明该吸收峰是三阶砷化镓电池内部某种特殊材料造成的。

(3)近红外波段存在周期性震荡特性。在900 nm以后，光谱反射率曲线出现了明显的类正(余)弦曲线的周期性震荡特征，而硅基太阳能电池并没有这种周期性震荡特征，说明这种周期性震荡特性是三阶砷化镓电池近红外波段重要的光谱特征，可作为三阶砷化镓电池识别的重要依据。

图4 硅基电池光谱反射率Fig.4 Spectral reflectance of Si-based solar cell

2 结果与讨论

2.1 多层膜的反射率模型

实验中采用的是上海空间电源研究所研制的GaInP/GaAs/Ge三阶砷化镓电池，该电池采用双层减反射膜(double anti-reflection coating,DAR) TiO2/Al2O3，以Ge为衬底，由三个N/P结构的子电池通过隧穿结串联形成，转换效率高达32%，目前广泛应用于国内卫星上。图5为三阶砷化镓电池具体物理特性模型以及简化模型。

简化模型各层厚度如下： TiO2=50 nm，Al2O3=50 nm，GaInp=670 nm，GaAs=3 700 nm，Ge=170 000 nm，电池片总厚度约为174.47 μm。

采用导纳矩阵法推导多层膜与基底组合的等效光学导纳Y与膜层及基底结构参数之间的定量关系式[9]

(2)

式(2)中：E0是第1层膜上界面(入射介质空气)外侧电场强度，Ek+1是第k层膜(出射介质Ge)下界面外侧电场强度，k为膜层数，η是修正导纳，δj为第j层膜的有效相位厚度，表达式为

(3)

式(3)中，d为每层膜的厚度，nj是每层膜的折射率，θj为折射角。

图5 三阶砷化镓电池详细(a)和简化(b)模型Fig.5 Detailed (a) and simplified (b) models oftriple-junction solar cell

所以任意k层膜系的光谱反射率R为

(4)

当入射光是无偏振的，根据菲涅尔方程，总的光谱反射率为

(5)

式(5)中，RS和RP分别代表S偏振波和P偏振波入射时的光谱反射率。

入射角30°时三阶砷化镓电池镜反射方向仿真和实测光谱反射率对比如图6所示。

从图6中可以看出，在400～600 nm波段，仿真和实测光谱反射率曲线走势一致，均是逐渐减小，但是幅值存在差异； 在600～900 nm仿真光谱反射率曲线同样存在三个吸收峰，实测和仿真光谱反射率吸收峰波长如表1所示。在表1中，首先将实测和仿真光谱在相同入射角情况下进行对比，发现仿真和实测光谱吸收峰波长接近，存在稳定的相位差，约为30，20和10 nm； 其次对比不同入射角吸收峰波长，发现随入射角增大吸收峰基本符合向左“迁移”特性(不考虑5°时的小角度入射)，从入射角15开始，角度每增大15°，迁移波长约为5～10 nm。

图6 三阶砷化镓电池仿真和实测光谱反射率对比

900 nm以后，仿真和实测散射光谱均出现了类周期性震荡现象，900～1 400 nm波段仿真和实测光谱曲线振幅和频率基本一致，在1 400 nm以后仿真和实测光谱曲线振幅和频率出现了差别。

分析仿真和实测光谱曲线存在差异的主要原因是文中采用材料的折射率和消光系数均是网上开源获取的数据，和文中三阶砷化镓各层膜的折射率和消光系数不可能完全一致，并且三阶砷化镓结构复杂，采用简化模型必然会导致出现差别。但是建立的基于多层膜系的光谱反射率计算模型，基本拟合出了实测光谱的可见光波段吸收和近红外波段干涉特性，说明光谱计算模型的正确性。

表1 三阶砷化镓电池仿真和实测光谱反射率可见光波段吸收峰Table 1 Triple-junction solar cell absorption peak of simulated and measured spectral reflectance in visible band

2.2 不同膜层对三阶砷化镓电池散射光谱的影响

在三阶砷化镓光谱反射率仿真计算时，发现衬底Ge层对散射光谱没有影响，Ge层主要影响近红外波段(850～1 650 nm)透射光谱和增加太阳光吸收效率。以入射角30°为例，Ge层对透射光谱的影响如图7所示。

因为衬底Ge层对散射光谱没有影响，因此影响散射光谱的主要是DAR层，GaInP层和GaAs层。入射角30°时，DAR层对散射光谱的影响如图8所示。

从图8可以看出，仅含DAR层时，可见光波段没有出现吸收峰，近红外波段也没有出现类周期性震荡的薄膜干涉现象； 而去除DAR层的三阶砷化镓电池，反射率幅值整体提高，可见光波段有明显吸收峰，近红外波段出现薄膜干涉，曲线形状基本不变，因此可以得出结论： 三阶砷化镓电池在可见光波段的吸收特性和近红外波段的干涉特性均是由电池的GaInP层和GaAs层决定的，与DAR层没有关系，DAR层主要作用是降低反射光能量，提高光的透过率。

进一步分析GaInP层和GaAs层对电池散射光谱的影响，将GaInP层和GaAs层的光谱反射率单独进行计算，入射角30°时结果如图9所示。

图7 三阶砷化镓电池光谱透过率Fig.7 Spectral transmittance of GaInP/GaAs/Getriple-junction solar cell

图8 DAR层对三阶砷化镓光谱反射率的影响Fig.8 Influence of DAR layer on spectral reflectanceof triple-junction solar cell

图9 GaInP和GaAs层对三阶砷化镓光谱反射率的影响Fig.9 Influence of GaInP and GaAs layers on spectralreflectance of triple-junction solar cell

从图9中可以看出，仅含顶电池GaInP层的光谱反射率曲线在可见光波段出现三个吸收峰，而GaAs层的光谱反射率曲线在可见光波段没有吸收峰，因此三阶砷化镓电池可见光波段的吸收特性主要是由顶电池GaInP层引起的； GaAs层光谱反射率曲线在900 nm后出现周期震荡的薄膜干涉特性，而仅含顶电池GaInP层的光谱反射率曲线近红外波段仅存在三个吸收峰，没有明显的干涉特性，说明引起三阶砷化镓电池散射光谱近红外波段干涉特性的主要是GaAs层； 但是单独GaAs层引起干涉的频率、振幅和三阶砷化镓电池的干涉特性曲线存在差异，说明GaInP层对干涉曲线振幅和频率起到调制作用。

3 结 论

三阶砷化镓电池是目前卫星帆板广泛采用的电池材料。测量了三阶砷化镓电池的散射光谱，发现其散射光谱在可见光波段存在三个明显吸收峰，并且900～1 800 m波段散射光谱出现类正(余)弦周期性震荡特性。为解释这两个特殊现象，针对三阶砷化镓电池的物理结构，建立了通用的简化模型。利用薄膜光学理论，建立基于多层膜的反射率模型，模拟的反射光谱基本拟合出可见光波段的吸收特性和近红外波段的干涉特性。利用光谱反射率计算模型，分析了不同膜层对散射光谱的影响。结果表明： 衬底Ge层对散射光谱没有影响，主要作用是增加光的吸收率； DAR层主要作用是降低反射率，对光谱形状影响不大； 顶电池GaInP层是引起可见光波段三个明显吸收特性的主要原因，中电池GaAs层是引起近红外波段干涉特性的主要原因，但同时GaInP层对干涉特性曲线的振幅和频率起调制作用。相关研究对卫星太阳能帆板、太阳能电池碎片的识别具有重要意义。