质子辐照下高效太阳电池输出特性及结构的优化研究

葛笑寒，张 磊

(1.三门峡职业技术学院智能制造学院，三门峡 472000；2.河南科技大学应用工程学院，三门峡 472000；3.沈阳飞机设计研究所，沈阳 100035)

0 引 言

影响太阳电池转换效率的主要因素为光生载流子复合损耗和等效串联电阻功率损耗[1]。近地轨道卫星供电系统中的高效单晶硅太阳电池会受到被地球磁场俘获的低能质子辐照损伤的显著影响[2]。为了保证空间供电系统长期可靠的工作，提高太阳电池抗质子辐照损伤的能力，需要结合空间质子辐照环境(辐照能量、辐照剂量等)，对太阳电池的结构参数进行精细的设计和优化。

目前实验室中大多使用X射线和60Co γ射线电离辐照源，其辐照损伤机理为电离损伤，而质子辐照损伤机理为位移损伤，且辐照实验周期长、成本高[2-3]。鉴于此，本文利用TCAD半导体器件仿真软件中的辐照损伤模块对空间低轨道卫星用高效插指背结背接触(IBC)单晶硅太阳电池的质子辐照效应进行研究。截止目前，关于太阳电池辐照损伤的研究报道较多[4-5]，但针对质子辐照损伤对高效IBC太阳电池电学性能影响的研究报道较少。本文利用TCAD半导体器件仿真软件，首先详细分析了低能(1.8 keV)质子辐照剂量对高效IBC单晶硅太阳电池转换效率的影响。然后，为准确评价低轨道星载太阳电池的抗辐照能力，同时给出在无质子辐照情况下，受主、施主复合中心密度和受主、施主陷阱密度对IBC太阳电池转换效率的影响，通过转换效率及其退化特点的对比，给出不同质子辐照剂量所对应的受主、施主复合中心密度和受主、施主陷阱密度。最后，以提高质子辐照条件下太阳电池的转换效率为目标，在不同的质子辐照剂量情况下，详细地分析了前表面场(FSF)结构和前表面浮空发射区结构(FFE)对IBC太阳电池电学性能的影响，并给出在一定的质子辐照剂量下，电池较适合采用的前表面结构及掺杂浓度。

1 太阳电池结构参数及模型选择

图1为IBC太阳电池的单元结构剖面图，图1(a)为采用前表面场情况，图1(b)为采用浮空发射区情况。相比于地面应用的高效IBC太阳电池，其衬底电阻率和衬底厚度的选择不同。由于在质子辐照环境中，随着质子辐照剂量的增大，位移损伤导致电池内陷阱和复合中心密度增大[6-7]。因此，为降低衬底中光生载流子在输运过程中的复合损耗，衬底厚度在满足长波光吸收及卫星发射时机械应力要求的基础上，应尽可能的减薄。由于太阳电池阵表面极易俘获大量低能带电粒子，使太阳电池阵表面产生高达几千伏的静电压，如果静电场放电，则可能造成太阳电池击穿，或干扰星上的遥测系统[8]。因此，为提高太阳电池的可靠性，需要适当提高电池衬底电阻率。太阳电池结构的具体仿真参数如表1所示。

表1 太阳电池结构的仿真参数[6,9-10]

质子辐照过程将在IBC太阳电池中产生光生载流子的陷阱和复合中心，其对电池内少子寿命产生影响。质子辐照后太阳电池内少子寿命可表示为[6,11]：

(1)

(2)

其中：τp和τn分别空穴和电子寿命；NT为陷阱或复合中心密度；vth为载流子热运动速度(2.3×107cm/s)；σp和σn分别为空穴和电子的俘获界面。在仿真过程中，受主陷阱电子、空穴的俘获截面分别为1×10-16cm2和1×10-14cm2，施主陷阱电子、空穴的俘获截面分别为1×10-14cm2和1×10-16cm2。在仿真复合中心密度和陷阱密度对太阳电池转换效率的影响过程中，假设复合中心和陷阱仅单独存在，且陷阱和复合中心在N型单晶硅衬底中均匀分布，复合中心对电子和空穴的俘获截面为1×10-16cm2，体复合中心距离导带的间距为0.5 eV，能级简并度为1。复合中心密度为变量，变化范围为0～1×1018cm-3。受主陷阱电子俘获截面为1×10-16cm2，受主陷阱空穴俘获截面为1×10-14cm2，施主陷阱电子俘获截面为1×10-14cm2，施主陷阱空穴俘获截面为1×10-16cm2。

在质子辐照仿真过程中，质子辐照能量、辐照损伤因子及非电离能量损耗之间的关系参考文献[12]和[13]的实验结果。具有一定辐照能量的质子所产生的缺陷密度(NT)可表示为[12-13]：

NT=αD·EL·Dose

(3)

其中：αD表示辐照损伤因子，取为50；EL表示非电离能量损耗(NIEL)，低能质子能量为1.8 keV，EL为3.1；Dose表示质子辐照剂量，仿真中质子辐照剂量的范围为105～1016cm-2。选择与掺杂浓度、晶格温度、电场强度相关的迁移率模型[14]，与温度相关的俄歇(AUGER)复合模型以及与掺杂浓度相关的SRH复合模型[15]。另外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应和能带简并效应。模拟测试条件选择为空间用太阳电池标准测试方法，即：25 ℃，AM0光谱。

2 仿真结果与讨论

图2为仿真得到的质子辐照剂量对太阳电池(采用前表面场结构)转换效率的影响，同时给出在无质子辐照情况下，复合中心密度和陷阱密度对相同结构太阳电池转换效率的影响。由图2可见，在质子辐照条件下，当质子辐照剂量小于1×109cm-2时，随着质子辐照剂量的增大，太阳电池转换效率略有减小。而当辐照剂量高于1×109cm-2时，随着辐照剂量的增大，太阳电池转换效率随之迅速减小。当辐照剂量达到1×1012cm-2时，若辐照剂量继续增大，太阳电池几乎不再具有光电转换的能力。当质子辐照剂量为1×109cm-2时，太阳电池转换效率为22.41%(无质子辐照时，转换效率为22.59%)。当质子辐照剂量为1×1012cm-2时，太阳电池转换效率为0.22%。

对于仅存在复合中心或陷阱的情况下，随着复合中心密度或陷阱密度的增大，每种情况下太阳电池转换效率的退化特点与仅存在质子辐照的情况相似。由于太阳电池的衬底为N型，单晶硅太阳电池作为双极型光电器件，光生少子空穴对其输出特性的影响尤为显著。对于受主陷阱，由于其空穴的俘获截面最大，其对少子空穴浓度的影响最大，因此，在无质子辐照情况下，仅存在受主陷阱时，其对IBC单晶硅太阳电池转换效率的影响最大，即在较低的陷阱密度下(NT=1×1011cm-3)，电池光电转换效率就出现了迅速降低的现象。由此表明，太阳电池转换效率受到质子辐照或复合中心、陷阱作用后降低的关键因素为少子空穴浓度的降低。当质子辐照剂量为1×1010cm-2时，等效于产生密度为5×1012cm-3的受主、施主复合中心，等效于产生密度为3×1012cm-3的施主陷阱，等效于产生密度为1×1012cm-3的受主陷阱。当质子辐照剂量为1×1011cm-2时，等效于产生密度为1×1014cm-3的受主、施主复合中心，等效于产生密度为8×1013cm-3的施主陷阱，等效于产生密度为9×1012cm-3的受主陷阱。

前表面场(FSF)结构和浮空发射区(FFE)结构是目前高效IBC单晶硅太阳电池可采用的两种电学增效结构[16-18]。对于FSF结构，电池上表面N+/N高低结对衬底光生少子空穴产生一定的反射作用，降低了光生少子空穴在电池上表面的复合损耗，且FSF在一定程度上降低了电池串联电阻损耗，有利于电池转换效率的提高。对于FFE结构，FFE结构在电池表面形成P+/N结，P型FFE将向衬底中注入一定浓度的少子空穴，在一定程度上增大衬底中的少子空穴浓度。FSF结构掺杂浓度越高，对衬底少子空穴的反射作用越强，FFE结构掺杂浓度越高，少子空穴的注射效率越高。但随着FSF结构和FFE结构掺杂浓度增大，也会增大其内部光生载流子的复合损耗。

图3～5为仿真得到的N+前表面场(FSF)和P+前表面浮空发射区(FFE)掺杂浓度对不同质子辐照条件下太阳电池电学性能的影响。其中，质子辐照剂量为0 cm-2表示地面应用的情况。由图3(a)短路电流密度(JSC)曲线可见：当质子辐照剂量一定时，对于FSF结构，随着FSF掺杂浓度增大，JSC随之单调减小。当质子辐照剂量一定时，对于FFE结构，随着FFE掺杂浓度增大，JSC随之先增大后减小。随着质子辐照剂量的增大，峰值JSC对应的FFE掺杂浓度增大。相比于采用FSF结构的情况，采用FFE结构情况下的JSC较高。在不同的辐照条件下，FSF结构和FFE结构可在很大程度改善IBC太阳电池的JSC，如表2所示。相比于FFE结构，在较高质子辐照剂量情况下，FSF结构对JSC提高的幅度下降较明显。图3(b)为FFE结构和FSF结构对应的JSC差值(△JSC)，由图3(b)可见：在不同的质子辐照剂量情况下，FFE结构与FSF结构对应的△JSC均为正值，表明FFE结构在改善不同质子辐照条件下的JSC方面优势更加明显。当质子辐照剂量一定时，随着掺杂浓度的增大，△JSC随之非线性增大。当掺杂浓度一定时，质子辐照剂量越大，△JSC越大。表明采用掺杂浓度经优化的FFE结构更有利于改善高质子辐照剂量环境中太阳电池的JSC。

表2 无前表面结构情况下的太阳电池电学性能

由图4(a)开路电压曲线(VOC)可见：对于FSF结构，不同质子辐照剂量下太阳电池VOC均呈现先增大后减小的变化特点。对于FFE结构，不同质子辐照条件下，峰值VOC对应的FFE结构掺杂浓度略低于FSF情况。在不同的辐照条件下，FSF结构和FFE结构可在很大程度改善IBC太阳电池VOC，且掺杂浓度经优化的FSF结构在改善太阳电池VOC方面的效果更好(见表2)。图4(b)为FFE结构与FSF结构对应的VOC差值(△VOC)，随着质子辐照剂量的增大，△VOC为负值所对应的前表面结构的掺杂浓度范围增大，表明质子辐照剂量越高，FSF结构在改善电池VOC方面的优势越明显。

由图5(a)转换效率(Eff)曲线可见：当质子辐照剂量一定时，随着掺杂浓度的增大，采用FSF结构和FFE结构的太阳电池，Eff均随之先增大后减小，且Eff均高于无前表面结构的情况(见表2)。对于FSF和FFE结构，随着质子辐照剂量的增大，峰值Eff对应的FSF和FFE的掺杂浓度均增大。对于FSF结构，在无质子辐照情况下，峰值Eff(22.61%)对应的FSF掺杂浓度为9×1018cm-3；在质子辐照剂量为1×1010cm-2时，峰值Eff(21.01%)对应的FSF掺杂浓度为1.1×1019cm-3；在质子辐照剂量为1×1011cm-2时，峰值Eff(11.94%)对应的FSF掺杂浓度为1.2×1019cm-3。对于FFE结构，在无质子辐照情况下，峰值Eff(22.56%)对应的FFE掺杂浓度为8×1018cm-3；在质子辐照剂量为1×1010cm-2时，峰值Eff(20.98%)对应的FFE掺杂浓度为9×1018cm-3；在质子辐照剂量为1×1011cm-2时，峰值Eff(12.38%)对应的FFE掺杂浓度为2×1019cm-3。当质子辐照剂量为0 cm-2或辐照剂量为1×1010cm-2时，仅当前表面结构掺杂浓度较高(Cs>3×1019cm-3)时，FFE结构和FSF结构情况下的Eff差别较显著，而较低掺杂浓度情况下的FFE和FSF结构对Eff的改善效果差别较小。由图5(b)可见：对于质子辐照剂量为1×10-11cm-2的情况，FFE结构对应的Eff均明显优于FSF结构的情况(转换效率差值△Eff范围为0.12%～0.6%)，表明在高质子辐照剂量条件下，采用FFE结构可更有效改善空间IBC单晶硅太阳电池的转换效率。本文IBC太阳电池的低能质子辐照效应仿真结果与参考文献[6]的结果基本一致，证明本文模型的有效性。

3 结 论

本文详细分析了低能质子辐照剂量对低轨道卫星用高效IBC单晶硅太阳电池转换效率的影响。仿真结果表明：太阳电池转换效率受到质子辐照或复合中心、陷阱作用后降低的原因为光生少子空穴浓度的降低。采用掺杂浓度经优化的FFE结构更有利于改善高质子辐照剂量环境中太阳电池的短路电流密度。掺杂浓度经优化的FSF结构在改善太阳电池VOC方面的效果更好，质子辐照剂量越高，FSF结构在改善电池VOC方面的优势越明显。对于不同的质子辐照剂量，存在最优的掺杂浓度，使得FFE和FSF结构情况下太阳电池Eff最高。在质子辐照剂量为0 cm-2和1×1010cm-2时，FFE和FSF结构在提高太阳电池Eff方面的差别较小，采用FFE结构情况下的峰值Eff略低于采用FSF结构情况下的峰值Eff。在质子辐照剂量为1×1011cm-2时，采用FFE结构对于IBC太阳电池转换效率的改善效果明显优于采用FSF结构的情况。