InGaP/GaAs/InGaAs 倒装结构三结太阳电池的辐照损伤仿真分析

王 彪，方美华*，陆宏波，周宏涛，陈建飞，梁 筝，魏志勇

（1. 南京航空航天大学 航天学院，南京 210016； 2. 上海空间电源研究所，上海 200245）

0 引言

由InGaP/GaAs/InGaAs 材料构成的倒装结构三结（inverted metamorphic triple-junction, 3J IMM）太阳电池由于优化了子电池的带隙宽度与太阳光谱的匹配程度，其太阳光转化效率超过32%（AM0,1 SC），比晶格匹配（lattice-matched, LM）的InGaP/GaAs/Ge 正装三结太阳电池的高[1-2]。但是倒装电池会由于子电池之间的晶格不匹配而引入位错缺陷，影响电池的输出性能；并且在轨工作的太阳电池会因空间辐射产生位移损伤而导致性能衰减[3]，同时位错缺陷的存在也会影响电池的抗辐射性能。因此有必要研究倒装结构太阳电池在辐射环境中的性能变化规律。

国内外对III-V 族多结电池的辐照损伤衰减研究主要围绕正装电池展开，而针对倒装结构电池的研究较少。地面等效实验方面，根据 ISO 23038:2018《空间系统 空间太阳电池 电子和质子辐照试验方法》[4]，多采用1 MeV 电子对IMM 电池进行辐照，研究其辐照后宏观电性能，包括短路电路Isc、开路电压Voc和最大功率Pmax的变化。研究发现：倒装多结电池的抗辐射性能比正装多结电池的要好；倒装多结电池中的InGaAs 底电池Isc衰减最大，辐照前后限流子电池会从InGaP 顶电池转变为InGaAs底电池[5-7]。此外，辐照实验后结合外量子效率（EQE）、光致发光PL 等测量方法对辐照后倒装多结电池子电池的微观参数进行分析，发现倒装三结电池中InGaAs 底电池少数载流子寿命衰减最严重[8-9]。在仿真方面，借助ANSYS、MATLAB 等软件工具采用载流子漂移和扩散方程对IMM 电池进行建模，研究辐照和位错缺陷对电池的影响，发现：辐照和位错缺陷都会导致电池少数载流子寿命缩短，进而影响电池电学性能；位错缺陷存在临界密度——此密度以下的位错缺陷对电池电学性能影响很小，而此密度之上的位错缺陷可造成电池电学性能明显衰减[2,10]。根据以上理论和实验研究，少数载流子寿命降低是电池损伤的主要原因。但是对于倒装电池而言，少数载流子寿命的减少不仅与辐照产生的缺陷相关，还来自于倒装结构带来的位错缺陷，但目前学界对此尚没有明确的关联研究。

对于InGaP/GaAs/InGaAs 倒装三结电池，通过在其GaAs 中间电池层和InGaAs 底电池层之间插入缓冲层，可将缺陷限制在缓冲层内，但不能完全消除InGaAs 子电池中的位错缺陷[11-12]。本文采用多物理场仿真软件COMSOL 建立InGaP/GaAs/InGaAs倒装三结电池的物理仿真模型，在模型中考虑辐照缺陷和电池位错，从宏观上研究辐照后电池电性能的衰减变化，从微观上研究电池位错和辐照缺陷对少数载流子寿命的影响，以期为IMM 电池在空间的应用和防护提供研究基础。

1 仿真方法及建模

1.1 仿真建模方法

太阳电池的仿真基于半导体物理中的泊松方程和载流子输运方程[13]：

式(1)～(3)中：ε0为真空介电常数；V为空间电势分布；q为电荷常数；n和p分别为电子和空穴浓度；N为掺杂浓度；Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数；μn和μp分别为电子和空穴的迁移率；RSRH为辐射复合率。

1.1.1 辐照对电池参数影响的计算方法

空间带电粒子对电池造成损伤的主要原因是带电粒子与电池材料的原子核发生相互作用，使得晶格原子离开正常的晶格位置成为间隙原子，形成Frenkel 缺陷。这相当于在电池中引入一些能级深浅不一的俘获陷阱，将导致载流子发生复合，缩短少数载流子寿命，进而导致电池性能衰减[3,13]。空间辐射造成的这种复合方式属于非辐射复合中的Shockley-Read-Hall （SRH）复合。SRH 复合过程中少数载流子寿命为[14]

式中：Nt为复合中心浓度；σ为俘获截面；v为载流子热运动速度；k为玻耳兹曼常数；m*为载流子有效质量。

1.1.2 位错对电池参数影响的计算方法

中间和底部子电池之间的晶格失配将引起应变，导致在失配子电池内形成一定密度的位错缺陷，以穿透位错密度（threading dislocation density, TDD）表示。缓冲层可以最小化底部子电池中的位错，但并不能完全消除。因此底电池InGaAs 中少数载流子寿命不仅受辐照缺陷的影响，同时也受到电池位错缺陷的影响，可由式(5)和式(6)表示[15]。根据文献[16-18]结论，在模拟倒装三结电池时将底电池InGaAs 中的TDD 固定为1×106cm-2。

式中：τ为少数载流子寿命；τr为辐射载流子寿命；τnr为非辐射载流子寿命；D为扩散系数；τAuger为俄歇复合寿命；τSur为表面非辐射复合寿命。

1.2 仿真建模过程

本文用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立电池物理模型并开展仿真[13,19]，所模拟的电池为上海空间电源研究所制备的InGaP/GaAs/InGaAs倒装三结电池，结构如图1 所示。该电池的仿真模型由3 种子电池模型组成，子电池的带宽分别为1.88 eV、1.41 eV、1.08 eV。仿真过程中使用的电池材料参数见表1。除了表1 参数外，将辐照缺陷和位错缺陷对电池的影响通过COMSOL 陷阱辅助复合接口添加进入模型中；并在掺杂分布的边界选择节点添加2 个金属接触边界条件，用于施加一个小的正向偏压以输出电池的I-V特性曲线。

图1 InGaP/GaAS/InGaAs 倒装三结电池结构示意Fig. 1 Structure of inverted InGaP/GaAs/InGaAs triplejunction cell

表1 模拟过程中使用的材料参数Table 1 Materials parameters used in the simulation

2 结果与分析

空间太阳电池主要暴露在高能电子、质子环境下，本文通过模拟1 MeV 电子辐照来分析电池宏观参数随辐照退化的仿真结果，并与实验结果进行对比验证模型的可靠性；通过仿真模型，获取少数载流子寿命信息，分析辐照和位错缺陷对少数载流子寿命的影响，进而评估辐照和位错缺陷对电池电学性能的影响。

2.1 子电池输出特性

通过模拟，获得辐照前后InGaP、GaAs、InGaAs子电池的I-V曲线（如图2 所示），其中：实线是单结子电池在AM0 光谱下的输出结果；虚线是子电池形成叠层结构后在AM0 光谱下的输出结果。从图2可以看出：形成叠层结构后，GaAs 和InGaAs 子电池因为上层电池对光的阻挡，电流密度减小到16 mA/cm2，与InGaP 顶电池的电流密度接近。随着电子注量的增加，子电池的短路电流Isc、开路电压Voc均有所衰减且衰减程度不同，如表2 所示，可以看出：在同样辐照条件下，顶电池的抗辐照性能最好，Isc、Voc和Pmax参数衰减均最小；底电池的Isc参数衰减最严重。

表2 1 MeV 电子辐照下InGaP、GaAs、InGaAs 子电池性能剩余因子Table 2 Performance remaining factors of InGaP, GaAs and InGaAs sub-cells under 1 MeV electron irradiation

图2 模拟1 MeV 电子辐照下电池I-V 曲线变化Fig. 2 Changes of cell I-Vcurves under 1 MeV electron irradiation

电池的电性能参数随辐照注量的衰减常用经验式

进行拟合，式中：X和X0分别为辐照前/后的输出参数值；Φ为电子注量；A和Φ0均为拟合参数。拟合后参数如表3 所示，Adj.R-Square 系数均大于0.99，拟合效果很好。将拟合参数代入式(7)分析发现：在注量超过1.57×1013cm-2时，电流的限制结由顶电池变为底电池。

表3 1 MeV 电子辐照下InGaP、GaAs、InGaAs 子电池的拟合参数Table 3 Fitting parameters of InGaP, GaAs and InGaAs subcells under 1 MeV electron irradiation

为了验证模型的准确性，开展了InGaP/GaAs/InGaAs 倒装三结电池地面等效实验，并将实验结果与子电池模型输出结果进行对比，以验证各子电池模型的准确性。由于实验无法直接获得倒装三结电池中各子电池的I-V特性曲线，所以由上海空间电源研究所制备了与倒装三结电池子电池结构尺寸和制备工艺（金属有机化学气相沉积）一致的InGaP、GaAs、InGaAs 单结电池。

采用1 MeV 电子照射样品，辐照注量分别为1×1014、5×1014和1×1015cm-2。辐照前/后均用太阳模拟器模拟AM0 光谱（能量密度135.3 mW/cm2），在室温（300 K）下用Keithley2636 数字源表测试所有子电池样品的I-V特性曲线[20]。短路电流Isc、开路电压Voc和填充因子（FF）的实验结果与仿真结果的对比如表4 所示，可见，模型相对误差在10%以内。

表4 1 MeV 电子辐照前/后子电池输出性能实验值与模拟值的比较Table 4 Comparison of experimental and simulated output performance of sub-cells before and after 1 MeV electron irradiation

2.2 倒装三结电池的输出特性

辐照前/后倒装三结电池的I-V曲线如图3 所示，其中：实线为模型输出，虚线为实验数据。可以看出，经过注量为1015cm-2的1 MeV 电子辐照后，倒装三结电池的短路电流和开路电压衰减幅度较大，辐照前、后模型输出衰减比例分别为78.39%、91.85%。图4 为仿真输出电性能参数与实验数值的相对误差，可以看出，相对误差在5%以内，两者符合较好。

图3 1 MeV 电子辐照前/后InGaP/GaAs/InGaAs 电池的I-V曲线Fig. 3 I-Vcurves of InGaP/GaAs/InGaAs cell before and after 1 MeV electron irradiation

图4 1 MeV 电子辐照前后InGaP/GaAs/InGaAs 电池输出性能模拟值与实验值的相对误差Fig. 4 Relative error of simulated and experimental output performance of InGaP/GaAs/InGaAs cell before and after 1 MeV electron irradiation

2.3 辐照对倒装三结电池的影响

图5 所示为三结子电池中非辐射少数载流子寿命τnr与辐照注量之间的关系。可以发现：在1 MeV 电子注量＜1012cm-2时，辐照对InGaP 和GaAs 子电池τnr影响很小；当1 MeV 电子注量较高时（≥1012cm-2）τnr有明显下降；InGaAs 底电池由于位错缺陷的影响导致初始τnr低，在1 MeV 电子注量＞1013cm-2时τnr才有明显下降。图6 所示为倒装三结电池剩余因子（剩余值除以初始值）呈现随电子辐照注量增加而减小的趋势。由图6 可见：Isc和Voc开始衰减对应的电子注量均在1013cm-2之后，且稍大于τnr发生衰减时对应的电子注量。这是因为倒装三结电池的少数载流子的复合以辐射复合方式为主，只有辐照到达一定程度后才会以非辐射复合方式为主。当1 MeV 电子注量达到1014cm-2时剩余因子开始明显下降，说明此时非辐射复合开始起到主要作用，故可以大致认为，1 MeV 电子注量为1014cm-2是少数载流子由辐射复合起主要作用转变为非辐射复合起主要作用的转折点。当电子注量为1015cm-2时，InGaP、GaAs、InGaAs 子电池的少数载流子寿命分别为0.317、0.214、0.095 ns，其数量级与文献[2]中的一致，此时倒装三结电池的I和Voc分别下降到初始值的78.39%和91.85%。

图5 非辐射少数载流子寿命随电子注量的变化Fig. 5 Variation of non-radiative minority carrier lifetime with electron fluence

图6 倒装三结电池Isc、Voc 剩余因子随电子注量的变化Fig. 6 Variation of remaining factors of Iscand Vocof inverted triple-junction cell with electron fluence

2.4 位错缺陷对倒装三结电池辐射响应的影响

位错缺陷直接影响InGaAs 底电池的非辐射少数载流子寿命，进而影响电池的光电转换效率。在仿真模型中通过设置不同的电子辐照注量和TDD 获得InGaAs 电池的非辐射少数载流子寿命τnr和TDD 之间的关系，如图7 所示，可以看出：在1 MeV 电子辐射注量不变的情况下，TDD 对τnr的影响存在一个阈值，超过该阈值τnr才有明显下降；在较低的TDD 处，τnr受辐照影响大，而在较高的TDD 处（≥106cm-2）τnr受辐照的影响很小。这也同时说明TDD 的增加反而“增强”了电池的耐辐照性能。

图7 不同辐照条件下，InGaAs 底电池非辐射少数载流子寿命随TDD 的变化Fig. 7 Variation of non-radiative minority carrier lifetime of InGaAs bottom cell with TDD under different irradiation conditions

图8 所示为注量为1015cm-2的1 MeV 电子辐照前/后，倒装三结电池的Isc、Voc和Pmax参数与TDD 之间的关系，辐照前/后电学参数随TDD 衰减的结果如表5 所示。可以发现：当TDD 较小时（＜106cm-2）电学参数几乎不受影响；TDD 较大时（≥106cm-2） 电学参数明显下降，这是由于位错影响了3J IMM 电池的初始质量；TDD 较大时，辐照造成的电学性能衰减率更低，表现出TDD 可以“增强电池抗辐射性能”的现象，这与参考文献中出现的结果一致[8,21]。

图8 1 MeV 电子辐照前/后倒装三结电池Isc、Voc、Pmax 随TDD 的变化Fig. 8 Variation of Isc, Vocand Pmaxwith TDD for inverted triple-junction cells before and after 1 MeV electron irradiation

表5 1 MeV 电子辐照前后InGaP/GaAs/InGaAs 电池电学参数随TDD 变化衰减结果Table 5 Degradation of electrical parameters of InGaP/GaAs/InGaAs cells with TDD before and after 1 MeV electron irradiation

3 结束语

本文采用多物理场仿真软件COMSOL 对InGaP/GaAs/InGaAs 倒装三结电池在1 MeV 电子辐照条件下的损伤效应进行模拟仿真，并通过地面等效实验对模型的准确性进行了验证，结果表明模型结果的最大相对误差在10%以内。该电池仿真模型可用于关联分析辐照和位错缺陷对3J IMM 电池输出性能的影响、预测空间中此类电池性能衰减情况，并可在该模型基础上研究电池防护手段的有效性。

后续将构建倒装结构InGaP/GaAs/InGaAs 三结太阳电池辐照位移损伤模型，从微观角度研究辐照产生的位移损伤缺陷，进一步分析1 MeV 电子在电池中产生的位移损伤效应，并探究电池中位错缺陷是否会对电子诱发的位移损伤缺陷造成影响。