三结GaAs太阳电池连续激光辐照累积效应
2022-02-04李云鹏窦鹏程张检民吴丽雄刘卫平徐作冬师宇斌
李云鹏，窦鹏程，张检民，吴丽雄，刘卫平，徐作冬，师宇斌
(激光与物质相互作用国家重点实验室；西北核技术研究所： 西安 710024)
当前，光伏产业发展迅猛，太阳电池已在各个领域得到了广泛应用。为提高光电转换效率和降低成本，聚光电池成为光伏领域的研究热点之一，聚光比为302的三结GaAs太阳电池光电转换效率已达到44.4%[1]，但高聚光比对太阳电池强光承受能力提出了挑战。开展太阳电池激光辐照效应与机理研究，可为改进太阳电池设计、扩展应用和提高损伤阈值提供依据。
近年来，对太阳电池激光辐照效应与机理的研究，国内外已开展了大量工作[2-4]。西北核技术研究所、国防科技大学及南京理工大学均已开展了大量实验，获取了伏安特性曲线退化规律。2015年，国防科技大学Zhu等[5]发现了电池材料氧化/分解的实验现象，2017年，西北核技术研究所李云鹏等[6-7]建立了受损太阳电池的5参数等效电路模型，阐明了受损电池的影响因素；2018年，Dou等[8]进一步完善了等效电路模型，解释了短路电流异常变化的损伤机理；2018年，南京理工大学孙浩等[9]建立了连续激光辐照三结GaAs太阳电池温度场模型；2020年，谭宇等[10]在此基础上建立了热力模型；2021年，捷克布尔诺科技大学的Nikola等[11]用超连续谱光源辐照太阳电池2个月，获得了与激光辐照相似的太阳电池退化规律。
2015年以来，南开大学吴强课题组[12-13]一直致力于黑硅红外探测器的研究，发现只有当硅材料表面累积了足够多次数的激光辐照后，才会出现森林状尖锥结构。2014年，国防科技大学朱荣臻等[14]研究单结GaAs/Ge、单晶硅太阳电池激光辐照效应时发现，当多个脉冲辐照太阳电池，由于激光漂移，光斑会触及栅线，多脉冲辐照的累积效应会加重损伤效果直至电池完全失效。因此，开展材料和光电器件累积效应研究，会发现不同于单次辐照的新现象，有助于加深对其损伤机理的认识。
近年来，三结GaAs太阳电池作为光伏领域发展的热点电池之一，非聚光状态下效率已达到37.9%[15]，相关的累积效应研究尚未见公开报道。本文以三结GaAs太阳电池为对象，开展了近红外连续波激光辐照效应研究，获取了累积效应规律，加深了对太阳电池激光辐照损伤机理的认识。
1 激光辐照实验
图1为实验光路示意图。波长为1.1 μm的激光正入射样品表面，利用微透镜阵列、透镜和光阑对光斑进行匀化和大小调节，利用分束镜和功率计对激光功率进行监测，利用光闸对激光出光时间进行控制，利用测温仪对样品前表面温度进行测量。
图1 实验光路示意图Fig.1 Schematic diagram of opticla path in experiment
调节光斑大小和位置，使其局部辐照样品中心。图2为实验用三结GaAs太阳电池样品结构示意图。
图2 三结GaAs太阳电池样品结构示意图Fig.2 Diagram of triple-junction solar cells structure
通过测量太阳电池的伏安特性曲线(J-V曲线)来获取样品的开路电压VOC、短路电流密度JSC和最大功率Pmax等参数。通过辐照前后Pmax的对比来判断电池性能变化情况。
2 效应规律与分析
研究结果表明，太阳电池损伤的实质为热损伤[7]。因此，累积辐照效应实验的实质是获取不同温度历程太阳电池的效应规律。
激光辐照过程中，太阳电池表面温度与激光辐照功率密度和太阳电池表面耦合特性有关。
2.1 耦合特性研究
2.1.1 常温下耦合系数
电池的耦合特性取决于2方面：一是材料折射率和器件结构；二是表面减反膜的特性。常温下，电池经多次辐照后，未发生熔融状态下，材料折射率及器件结构不会发生显著变化，因此，由此部分引起的耦合特性变化可忽略。而减反膜的损伤会对电池反射谱产生影响，图3为不同功率密度E的激光辐照30 s后，太阳电池的吸收率，即耦合系数α随激光波长λ的变化关系。
图3 不同功率密度的激光辐照30 s后，太阳电池的耦合系数随激光波长的变化关系Fig.3 α vs. λ after 30 s laser irradiation with different E
由图3可见，辐照损伤后太阳电池在可见光区域吸收率大幅降低，表明减反膜出现了损伤，但对波长约为1.1 μm激光的吸收率基本不变。即常温下，辐照前后电池对波长为1.1 μm激光的耦合特性无明显变化。
2.1.2 高温下耦合系数
在高温情况下，由于电池材料折射率和结构厚度均会发生改变，因此会影响耦合强度。图4为本文搭建的高温耦合特性测试平台示意图。
利用该平台获取了三结太阳电池对波长为1.1 μm激光的耦合系数随温度T的变化关系，如图5所示。由图5可见，电池吸收率随温度增加而略有变化，约为0.9。但激光辐照过程中，样品大部分时间处于400 ℃以上，此阶段吸收率波动均在5%以内。因此，可认为吸收率在高温下与常温下基本一致。
综上，可忽略耦合特性对温度历程的影响，为使太阳电池经历相同温度历程，可采用相同功率密度激光进行辐照。
图4 高温耦合特性测试平台示意图Fig.4 Diagram of high temperature coupling characteristic test platform
图5 三结太阳电池对波长为1.1 μm激光的耦合系数随温度T的变化关系Fig.5 α vs. T of triple-junction solar cells for 1.1 μm laser
2.2 累积效应规律
2.2.1 整体效应规律
固定辐照时间为30 s，逐渐增加辐照功率密度，采用1-on-1模式辐照，即对样品只辐照一次，辐照后太阳电池最大输出功率Pa，max与辐照前最大输出功率Pb，max的比值和表面最高温度Tmax随功率密度E的变化关系如图6所示。由图6可见：随着激光辐照功率密度的提升，电池表面温度逐渐升高，损伤逐渐增强；当E小于10 W·cm-2时(Tmax约为490 ℃)，电池并未发生损伤；当E达到18 W·cm-2时(Tmax约为660 ℃)，电池性能退化对温度十分敏感；当E达到26 W·cm-2时(Tmax约为780 ℃)，电池几乎完全失效。将数据重新整理，绘制Pa，max/Pb，max随Tmax的变化关系，如图7所示。由图7可见：当Tmax达到约490 ℃时，Pa，max/Pb，max开始出现显著下降，随着Tmax的增加Pa，max/Pb，max逐渐下降；当Tmax达到660 ℃时，Pa，max/Pb，max的退化对温度十分敏感。因此，可将Tmax分为Tmax<490 ℃，490 ℃
图6 Pa，max/Pb，max 和Tmax随功率密度E的变化关系Fig.6 Pa，max/Pb，max and Tmax vs. E
图7 Pa，max/Pb，max随Tmax的变化关系Fig.7 Pa，max/Pb，max vs. Tmax
2.2.2Tmax<490 ℃
(1) 高温持续时间对损伤结果影响
固定辐照功率密度，针对不同全新样品开展不同辐照时间实验，辐照时间tduration对损伤结果的影响如图8所示。图8中：J为样品表面电流密度；V为电池电压；T为样品前表面中心温度；t为辐照时间。辐照时间为30 s时，Tmax约为430 ℃；辐照时间为60 s时，Tmax约为445 ℃。
(a) J-V curves
(b) T vs. t
由图8可见，当Tmax<490 ℃时，增加高温持续时间tduration及Tmax，电池依然不会发生损伤。
(2) 辐照次数对损伤结果影响
图9为累积效应实验结果(Tmax<490 ℃)。由图9可见，累积辐照3次后，太阳电池性能未发生明显变化。对比温度历程可见，不同辐照次数的温度历程十分接近。
因此，当Tmax<490 ℃时，增加辐照时间和辐照次数，太阳电池性能不会发生明显退化。
(a) J-V curves
(b) Tmax vs. irradiation times
(c) T vs. t
2.2.3 490 ℃ (1) 高温持续时间对损伤结果影响 490 ℃高温持续时间t490 ℃对损伤结果的影响(490 ℃ (a) J-V curves (b) T vs. t (2) 辐照次数对损伤结果影响 图11为累积效应实验结果(490 ℃ (a) Pa，max/Pb，max vs. irradiation times (b) Tmaxvs. irradiation times (c) T vs. t 2.2.4Tmax>660 ℃ (1) 高温持续时间对损伤结果影响 当Tmax>660 ℃时，Pa，max/Pb，max退化的跨度较大，此时，Tmax分别为690 ℃和730 ℃时，t660 ℃对损伤结果的影响如图12和图13所示。由图12和图13可见，当Tmax>660 ℃时，随着t660 ℃的增加，Pa，max/Pb，max退化加重。 (a) J-V curves (b) T vs. t (a) J-V curves (b) T vs. t (2) 辐照次数对损伤结果影响 累积效应实验结果(Tmax>660 ℃)如图14所示。由图14可见，增加辐照次数会导致性能退化更加严重，当累积辐照约5次时，电池性能接近完全失效。 (a) Pa，max/Pb，maxvs. irradiation times (b) Tmax vs. irradiation times (c) T vs. t 综上所述，当Tmax>660 ℃时，增加辐照次数或者延长辐照时间均会导致电池性能持续下降，直至接近完全失效。 本节通过开展不同温度区间的激光辐照效应研究，获取了不用于以往的效应规律。结果表明，太阳电池退化规律与Tmax，tduration及辐照次数均相关。验证了高温导致太阳电池材料相变[7]，最终导致性能退化的损伤机理，进一步加深了对电池热损伤机制的认识。 本文开展了三结GaAs太阳电池1.1 μm连续激光辐照实验，当辐照时间为30 s时，光斑局部覆盖条件下，当辐照功率密度小于10 W·cm-2时，电池并未发生损伤；当辐照功率密度达到18 W·cm-2时，电池性能退化对温度十分敏感；当辐照功率密度达到26 W·cm-2时，电池几乎完全失效。 基于太阳电池耦合特性测量结果，设计实验，开展了相同最高温度不同辐照时间，相同温度历程不同辐照次数激光辐照累积效应实验。结果表明，当最高温度低于490 ℃时，增加辐照时间以及辐照次数，太阳电池不会发生损伤；当最高温度处于490～660 ℃时，增加辐照时间会加重电池损伤程度，增加辐照次数会产生明显的累积效应，电池性能退化随着辐照次数增加而加重，直至趋于一个定值；当最高温度超过660 ℃时，增加辐照时间会加重电池损伤程度，增加辐照次数会产生明显的累积效应，电池性能退化随着辐照次数增加而加重，直至接近完全失效。
2.3 小结
3 结论
