GaInP/GaAs/Ge太阳电池发展现状

孙永亮

(哈尔滨师范大学)

0 引言

太阳电池是把光能直接转化成电能的能量转换器件，其结构是一个半导体材料制成的PN结，太阳光辐照在电池上，价带上的电子吸收光能被激发到导带上，在价带留下一个空穴，即产生光电子-空穴对，在P-N内建电场的作用下，空穴和电子分离，在电池两端出现异号电荷的积累，产生“光生电压”［5］.若在内建电场的两侧连接电极和负载，这时会产生“光生电流”，这样太阳能就会转换成供航天器件使用的电能.作为空间飞行器能源的太阳电池在太空环境运行时不仅受到光辐照，也会受到各种能量的粒子的辐照，会产生大量的空位、填隙原子和复合体等晶格缺陷.这些缺陷起着载流子的复合中心的作用，导致了载流子寿命缩短，其结果是电池电学性能的退化.

1 太阳电池的辐照损伤效应研究现状

目前，对太阳电池辐照损伤效应的研究主要集中在电池的宏观性能演化规律和辐照损伤的微观缺陷研究两个方面.

1.1 入射粒子的性质对GaAs太阳电池电学性能的影响

关于GaInP/GaAs/Ge电池辐照效应以美国海军试验室的研究工作最具代表性.其通过光谱响应测试得出在注量为1×1016cm2的1MeV电子辐照下GaAs中间电池光谱响应发生明显退化，而GaInP和Ge子电池的光谱响应基本不变［4］.原因是GaAs中间电池的抗辐照能力明显低于 GaInP 和 Ge 子电池.S.R.Messenger［3］等人对GaInP/GaAs/Ge太阳电池的质子辐照效应进行了研究，研究表明，在一定注量下能量＞1 MeV的入射质子辐照使最大功率随质子能量的降低而增大.能量＜400 keV的质子辐照时最大功率的退化出现异常.原因是不同能量质子造成三个子电池不同程度损伤，导致子电池电流失配.胡建民对低能质子(＜200 keV)辐照做了较为系统的研究，研究表明，不同能量的质子对电池的不同区域造成的损伤与质子能量分布有关［1］.目前对于多结太阳电池的辐照损伤效应研究还处于起步阶段.

1.2 辐照损伤微观缺陷

由于多结叠层太阳电池结构的复杂性导致其缺陷测量比较困难，目前采用光致发光或电致发光光谱法研究了GaInP/GaAs/Ge三结电池各子电池的辐照效应.发现1MeV电子辐照前后GaInP子电池光致发光谱基本不变，而GaAs子电池的光致发光谱变化明显，电致发光的分析结果与之类似.这说明GaAs中间电池的抗辐照能力明显低于GaInP和Ge子电池.目前有关缺陷能级对应的具体缺陷类型的报道较少，大多文献给出能级位置，浓度和俘获截面，有关具体缺陷类型的研究将成为太阳电池的一个热点.

2 太阳电池在轨性能退化预测

研究太阳电池辐照损伤效应和机理的目的包括两方面:一是提高太阳电池的抗辐照能力;二是为科学预测太阳电池的在轨行为提供理论指导和实验数据.目前预测的主要方法有两种.

2.1 等效注量法

美国喷气动力实验 H.Y.TaDa［6］等人提出的等效注量法是国际上用于预测空间太阳电池在轨服役行为的主要方法.这种方法主要是将不同能量和类型的带电粒子引起的辐照损伤效应通过相对损伤系数(RCD)联系起来，从而实现实验室中的单能垂直入射粒子辐照与空间带电粒子能谱辐照效应的等效.等效注量法用于GaInP/GaAs/Ge三结电池目前还处于尝试和探索阶段.该方法的优点在于评价体系比较完善，但是评价过程较为繁杂，所需要的试验数据较多，评价成本较高.

2.2 位移损伤剂量法

位移损伤剂量法是美国海军试验室创建的.该方法是通过粒子的非电离能量损失(NIEL)将粒子辐照注量转化为位移损伤剂量，获得太阳电池电学性能随位移损伤剂量退化的特征曲线.然后，再由空间带电粒子能谱和NIEL计算太阳电池在轨服役的等效位移损伤剂量，最终实现对太阳电池在轨行为的预测.带电粒子与物质作用的基本形式是电离和位移，总的能量损为这两部分之和.非电离能损失是指产生电离效应以外的能量损失，几乎全部用于产生位移效应.

Messenger S R［3］等人通过位移损伤剂量法研究了 GaAs/Ge太阳电池的退化效应，发现50 keV质子辐照下退化曲线偏离了高能质子辐照下电学性能随位移损伤剂量变化的曲线.同样关于GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的研究结果表明，＜150 keV质子辐照下三结太阳电池电学性能的退化曲线与高能质子辐照的退化曲线发生偏离.可见，＜0.1 MeV质子主要造成GaInP顶电池损伤，而＞0.15 MeV质子主要对GaAs中电池产生损伤.采用位移损伤剂量法预测太阳电池在轨行为操作方便，所需的试验数据较少，近年来得到了广泛关注.但是，该方法在使用过程中忽略了低能质子的辐照效应.

3 太阳电池的损伤机理模型

目前有关GaAs太阳电池的短路电流退化模型已经建立，该模型基于太阳电池的载流子收集模型和半导体材料的辐照损伤模型而建立的，模型计算分析结果能够很好的吻合试验数据.根据P-N结的能带模型和带电粒子辐照的载流子去除模型，现已建立了GaAs/Ge太阳电池空间电荷区辐照损伤的物理模型与开路电压退化的数学模型.模型计算分析结果与试验数据符合较好［2］.但目前有关峰值功率的模型仍处于空白，以及GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的开路电压和短路电流模型同样没有建立.三结太阳电池结构较为复杂，有关多结叠层太阳电池的辐照损伤机理模型将成为热点.

4 结束语

目前太阳电池的研究主要倾向于多节叠层电池的研究，包括带电粒子的辐照效应，微观损伤机理，深能级缺陷的检测，以及能级缺陷的具体类型分析和开路电压和短路电流退化的物理模型建立.另外有关太阳电池的在轨行为评价体系还不够完善，有待改进.

［1］ 胡建民，吴宜勇，钱勇，等.GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子辐照损伤效应.物理学报，2009，58(7):683-688.

［2］ 胡建民，吴宜勇，杨德庄，何世禹.国产GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤效应.核技术，2010，31(12):1569-1572.

［3］ Messenger S R，Summers G P，Burke E A，et al.Modelling Solar Cell Degradation in Space:A Comparison of the NRL Displacement Damage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approaches.Progress in Photovoltaics:Research and Applications.2001，9(2):105.

［4］ Walter R J，Summers G P.Analysis and Modeling of the Radiation Response of Multijunction Space Solar Cell.Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaics Specialist Conference，2000.1092-1097.

［5］ 刘恩科.光电池及其应用.北京:中国科学出版社，1989.8.

［6］ Tade H Y，Carter J R，Anspaugh B E，et al.Solar Cell Radiation Hand book.Jet propulsion Laboratory，1982，1(1):1-5.