32%效率三结砷化镓太阳电池设计与在轨应用

仇恒抗，姜德鹏，杨 琴，刘广明

(1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.上海航天技术基础研究所，上海 201109)

砷化镓太阳电池已经广泛应用于空间电源系统，从单结到多结叠层结构发展变化，其效率不断提高，从最初效率为17%[1]的单结砷化镓太阳电池，到效率为22%[2]的双结砷化镓太阳电池，再到当今国际上批产效率达30%的三结砷化镓太阳电池[3]。目前我国批产效率为30%的三结GaInP/GaAs/Ge太阳电池已进入工程化应用阶段[4]，满足了卫星、深空探测以及多功能航天运输系统等对能源的需求。

国内外在空间用高效多结砷化镓太阳电池方面，主要技术路线为通过调整各结材料的带隙，选择更加适用于吸收空间光谱的子电池组合，如将光谱划分后，选取对应的三结、四结、五结甚至六结太阳电池材料，分别进行吸收，以达到高效转换的目的。美国Spectrolab 实验室和德国Fraunhofer 实验室均推出了光谱更加匹配的四结乃至五结砷化镓太阳电池，Spectrolab 在国际上首次实现了36%效率太阳电池的小面积实验室制备，其特点是通过多结电池串联叠加得到更高的开路电压，但由于材料之间晶格不匹配等造成的组合困难，目前主要停留在实验室小面积阶段。

为突破三结砷化镓太阳电池三结晶格匹配的效率极限，本研究通过增加顶电池与中电池中In 组分，降低顶、中电池的带隙，从而提高三结砷化镓太阳电池电流密度，将太阳电池效率提升至32%。该效率太阳电池已成功应用于PakTES-1A 卫星太阳电池阵，在轨遥测数据与地面测试数据的对比结果显示电流最大误差不大于0.5%，可为航天器用高面积比功率太阳电池阵设计提供技术支持。

1 产品设计

带隙组合为Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 的三结砷化镓太阳电池(效率为30%)结构中，顶、中、底子电池的电流密度分别为17.2、18、27 mA/cm2，底电池电流密度为顶中电池电流密度的1.5 倍以上[5]。过多的底电池电流对三结电池转换效率没有任何贡献，最终将以热能的形式释放出来。为了进一步提高三结砷化镓太阳电池转换效率，减少光能损失，合理的三结电池带隙组合需要被研究。

针对空间光谱和晶格匹配三结砷化镓太阳电池原有结构存在的限制，产品设计从输入光谱划分、材料选择和电性能计算三方面开展。

1.1 光谱划分

30%效率三结砷化镓太阳电池子电池电流过剩，通过调整顶、中电池带隙，使顶中电池吸收光谱红移，同时使顶、中、底电池电流尽量匹配，可以有效提升电池短路电流和转换效率。选用Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结电池结构，带隙组合为1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV，各子电池吸收光谱波段如表1所示。

表1 三结太阳电池子电池带隙与吸收波段关系

太阳电池的电流密度计算公式：

式中：x为计算波段的起始波长，y为计算波段的终止波长，x≤i≤y；λi为该波段光子的波长；Wi为波长为λi时的光照功率；QEi为波长为λi时的量子效率。

理想情况下，假定QE不随光子波长的变化而变化，为常数1，则在理想情况下，太阳电池的电流密度计算简化为：

根据太阳电池太阳光谱分段及电流密度计算公式，可知理想情况下，各子电池电压及电流分布如表2 所示，顶中电池的电流密度划分较为合理，比30%效率太阳电池的电流密度提升约15%。

表2 理想情况下各子电池电流密度划分

1.2 材料选择

在三结电池结构中增加顶电池GaInP 和中电池InGaAs的In 组分，可以降低顶中电池的带隙宽度，但顶、中电池材料与Ge 衬底之间晶格失配，外延生长会引入失配位错等大量缺陷，限制电池光电转换效率。因此，对于晶格失配空间电池外延，解决了晶格失配带来的位错也就能解决32%效率的空间电池的关键问题。

本文引入应力渐变缓冲层结构生长Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结电池，首先在Ge 衬底上生长晶格匹配的GaInP 初始层、InGaAs 缓冲层以及GaAs 窄带隙隧穿结(TJ1)，接着通过InGaAs 应力渐变缓冲层将电池的晶格常数从Ge 逐渐增加到目标晶格层Ga0.94In0.06As，晶格失配度为0.3%，最后依次生长与Ga0.94In0.06As 晶格完全匹配的中电池、宽带隙隧穿结(TJ2)、顶电池以及Cap 层。Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结电池上子电池各层材料依然选用与晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三结电池相似的材料，但是不同的In 组分保证各层材料间的晶格匹配。

底电池材料选用Ge，采用扩散的形式，在P-Ge 衬底上形成底电池，禁带宽度为0.67 eV，晶格常数为0.565 75 nm。

中电池材料选用InGaAs，为获得较高的电流密度，中电池采用In0.06Ga0.94As 材料，禁带宽度为1.34 eV，晶格常数采用InGaAs 材料的晶格常数计算公式[6]：

可知，In0.06Ga0.94As 材料的晶格常数为0.567 76 nm。

顶电池采用与中电池匹配的GaInP 材料，禁带宽度为1.86 eV，晶格常数为0.567 76 nm，做到与中电池匹配。根据InGaP 材料的晶格常数计算公式[6]：

可知，要做到与中电池InGaAs 材料晶格匹配，需要生长54.3%In 组分的InGaP。

根据晶格常数失配度公式：

式中：δs为外延材料相对于衬底的晶格失配度；as为衬底材料的晶格常数；ae为外延层的晶格常数。

由失配度公式及衬底与外延层的晶格常数可知中电池与底电池的晶格失配为：

顶电池做到与中电池匹配，即顶电池与中电池的晶格失配度为0，与底电池Ge 材料的晶格失配度为-0.355%。

1.3 电学特性

根据研究，Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结电池中Ga0.94In0.06As 中电池显示了最弱的抗辐照性能，故子电池电流设计为顶限5%左右。三结电池Voc由三结子电池Voc和隧穿结压降共同作用形成，最低的隧穿结压降可以获得最高的三结电池Voc。晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三结电池性能参数如表3 所示，隧穿结压降设计如表4 所示。

表3 效率32%电池各子电池电压及电流设计

表4 隧穿结压降设计

最终获得的Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结太阳电池在AM0、25 ℃条件下电池转换效率达到32%。表5 为效率30%和效率32%电池产品典型性能设计参数对比。

表5 效率30%和效率32%电池产品性能设计参数

2 产品性能及在轨应用

2.1 子电池性能

太阳电池外量子效率测试曲线如图1 所示。每个子电池的短路电流密度Jsc是由该电池的外量子效率EQE(即将入射光子转换为光生载流子的能力)和入射光谱Φinc(λ)共同决定的。即：

通过对外量子效率测试曲线进行积分可得，三结砷化镓太阳电池顶电池(GaInP)电流密度为19.0 mA/cm2，中电池(GaAs)电流密度为19.8 mA/cm2，底电池(Ge)电流密度为23.2 mA/cm2。

图1 太阳电池外量子效率测试曲线

2.2 鉴定批性能

完成结构定型和攻关试验后，对32%效率的三结砷化镓太阳电池产品进行鉴定试验，鉴定批生产合格率为86.11%。合格太阳电池的效率档主要分布在31.86%～32.66%，平均光电转换效率为32.42%，效率分布如图2 所示，其中效率大于32%的太阳电池数占合格电池数的83.33%。

图2 鉴定合格的太阳电池效率分布

鉴定电池批平均开路电压Voc为2 662 mV；其中开路电压≥2 640 mV的电池占比100%，完成该项指标。平均短路电流密度Jsc为19.4 mA/cm2；其中短路电流密度≥19.1 mA/cm2的电池占比100%。产品典型性能参数如下：开路电压Voc为2 660 mV；短路电流密度Jsc为19.1 mA/cm2；最佳工作点电压Vmp为2 350 mV；最佳工作点电流密度Jmp为18.45 mA/cm2；平均光电转换效率为32%。太阳电池产品实物及I-V曲线如图3所示。

图3 32%效率的砷化镓太阳电池产品实物及I-V曲线

2.3 在轨应用

32%效率砷化镓太阳电池经过了一系列的地面鉴定试验，已应用于巴基斯坦PakTES-1A 科学实验卫星太阳电池阵(图4)，并通过了型号规定的力学、热学等试验考核。所用太阳电池尺寸为60.5 mm×40 mm，典型Vmp为2 350 mV，典型Jmp为18.45 mA/cm2。

图4 PakTES-1A科学实验卫星

PakTES-1A 太阳电池阵面积为2.5 m2(2 块展开板与1 块体装板，卫星如图4 所示)，卫星母线电压29.5 V，要求3 年寿命末期太阳电池阵输出功率不小于600 W。采用32%效率太阳电池，设计出太阳电池阵末期功率输出为604 W，卫星入轨以来，太阳电池阵工作正常、性能稳定，部分子阵遥测电流如表6 所示，SG1 采集量52%、74%表示占空比的百分比。

表6 PakTES-1A 卫星太阳电池阵部分遥测数据

SG1 与SG5 子阵地面测试值如表7 所示。

表7 PakTES-1A 太阳电池阵部分地面测试数据

在轨遥测为母线下太阳阵电流，地面测试值也为母线下电流，再考虑日地因子、温度、光照角等因素进行折算至近似在轨状态，具体如下：

式中：I0为标准测试条件下太阳电池阵母线下工作电流；βIP为电流规范化平均温度系数；Top为太阳电池工作温度；T0为太阳电池标准测试温度；Fm为各种因子。按在轨条件折算后输出如表8 所示。

表8 地面测试结果转换至在轨条件下输出

在轨遥测为7 月份数据，除去日地因子(约0.97)后，在轨遥测值与地面测试值比较如表9 所示，二者差距仅为-0.2%和0.5%，遥测数据与地面测试数据一致性较好。

表9 在轨遥测电流与地面测试结果对比

研制的正装小失配32%(AM0，25 ℃)效率三结砷化镓太阳电池，小批量合格率达到86%以上，在AM0、135.3 mW/cm2、测试温度25 ℃的条件下，平均光电转换效率32.4%，产品通过了地面鉴定试验、型号地面试验考核及型号在轨验证。产品大大提升了航天电源的配套能力，可在后续空间工程广泛应用。

3 结束语

为突破三结砷化镓太阳电池三结子电池晶格匹配的效率极限，在充分继承国内外工程化应用的30%效率三结砷化镓太阳电池的材料体系基础上，本文采用了晶格小失配Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三结太阳电池结构，通过增加顶电池与中电池中In 组分，降低顶、中电池的带隙，将太阳电池光电转换效率提升至32%。该太阳电池已成功应用于PakTES-1A卫星太阳电池阵，在轨两个子阵遥测电流数据经计算对比，与地面同工况测试结果差异仅为－0.2%和0.5%。该高效三结砷化镓太阳电池应用于空间太阳电池阵，提高了太阳电池阵面积比功率，将航天器主电源发电能力提升到新的台阶。