电子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池短路电流退化机制研究*

齐佳红，胡建民

(哈尔滨师范大学)

0 引言

航天器在轨服役期间要经历非常恶劣的空间环境.GaAs太阳电池因具备高光电转换效率和抗辐照能力而被广泛应用于航天领域.为了满足大功率、长寿命航天器的需要，GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池逐渐成为空间电池的主流.

目前对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照效应机理的研究尚处于探索阶段.王荣［1］对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池低能质子的辐照效应进行研究，研究结果说明随着质子能量增大，太阳电池的辐照损伤效应越小.胡建民［2］对电子辐照效应进行研究，研究结果说明随着电子能量增大，辐照损伤效应越大.这些研究只对带电粒子辐照后太阳电池光谱响应进行分析，从而得出辐照损伤效应的一般规律，并未明确给出电池辐照损伤效应的微观解释.该文通过PC1D［3］模拟1 MeV电子辐照后GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池光谱响应建立少子扩散长度随辐照注量的变化关系，从而说明短路电流退化的微观机制.这一研究不仅为GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在轨行为评价提供理论基础，而且为延长太阳电池在轨服役寿命提供了理论指导.

1 实验

实验样品选用GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，用金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)制备，面积为3×4 cm2，其结构参数如图1所示.

试验选择ELV－8型电子加速器对GaInP/GaAs/Ge太阳电池进行1 MeV电子辐照试验.根据地面等效模拟加速试验的等效模拟区间取电子通量为1×1011cm－2s－1.参照太阳电池国际测试标准［4］，在25 ℃和AM0(辐照功率为1367 Wm－2)太阳光谱辐照条件下进行I－V特性测试.GaInP/GaAs/Ge单结电池开路电压Voc=2590 mV、短路电流Isc=200 mA、最大功率Pmax=437.3 mW和填充因子FF=83%.

2 结果与讨论

2.1 光谱响应分析

应用PC1D程序模拟1 MeV电子辐照后GaInP/GaAs/Ge太阳电池光谱响应曲线如图2所示.

1 MeV辐照后GaInP顶电池光谱响应几乎没有发生衰减，GaAs中间电池发生明显衰降，这说明GaInP比GaAs具有更强的抗辐照能力.这是因为 InP中的迁移能VIn(0.26 eV)和VP(1.2 eV)小于 GaAs的迁移能VGa(1.79 eV)和VAs(1.48 eV)，所以 GaInP比GaAs抗辐照能力强［5］.当电子注量从 1 ×1015cm－2增加到3 ×1015cm－2，GaInP/GaAs/Ge 太阳电池中间 GaAs电池光谱响应在700～900 nm长波波段出现明显衰降.外量子效率衰降的原因是电子辐照造成GaAs太阳电池基区和发射区少子扩散长度减小所致.

图1 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构示意图

图2 电子辐照后GaInP/GaAs/Ge太阳电池的外量子效率

2.2 伏安特性与载流子输运机制分析

电子辐照后GaInP电池电学性能没有发生明显退化，而GaAs中间电池的短路电流发生明显衰降，这使GaInP顶电池和GaAs中间电池电流失配，造成GaInP/GaAs/Ge太阳电池电学性能发生衰降［6］.图 3可见，1 MeV电子辐照后GaInP/GaAs/Ge太阳电池短路电流退化幅度均随入射电子注量增加而增大，这与太阳电池内部载流子的输运状态和性质密切相关.

图3 电子辐照后GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的归一化电流

少子扩散长度随入射粒子注量的变化关系式为［7］

式中L0和L分别为辐照前、后的少数载流子扩散长度;φ为辐照注量;KL为少子扩散长度损伤系数，他反映了单位辐照注量下少子扩散长度的相对变化.

通过PC1D程序拟合得到1 MeV电子辐照后GaAs中间电池中少子扩散长度随电子注量变化的关系曲线，如图4所示1 MeV电子辐照后GaAs中间电池中少子扩散长度随电子注量的增加而减小.由(1)式计算得到1 MeV电子辐照后GaAs太阳电池的少子扩散长度损伤系数为2.42 ×10－7.

图4 电子辐照后GaAs中间电池的少数载流子扩散长度随电子注量变化的关系曲线

3 结束语

该文研究不同能量电子辐照下GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池载流子的运输机制.研究结果表明由于GaAs中间电池短路电流发生明显退化，GaInP顶电池和GaAs中间电池电流失配导致GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池短路电流退化.随着电子辐照注量增加，少数载流子扩散损伤系数随辐照电子能量增加而增大，这是GaAs中间电池短路电流随入射电子注量增大发生退化及退化幅度随电子能量增大而增大的根本原因.少子扩散长度缩短是造成GaInP/GaAs/Ge太阳电池短路电流发生退化的内在物理机制.

［1］王荣，刘运宏，孙旭芳，等.国产高效GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的低能质子辐照效应.半导体学报，2007，28(10):1599－1602.

［2］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.哈尔滨工业大学博士论文，2009.5051－5055.

［3］王景宵，杜永超，刘春明.太阳电池模拟软件–PC1D.21世纪太阳能新技术－2003年中国太阳能学会学术年会论文集，2003.63–65.

［4］ASTM Standard E 2236－05a，Standard Test Methods for Measurement of Electrical Performance and Spectral Response of Nonconcentrator Multijunction Photovoltaic Cells and Modules:http://www.astm.org.

［5］Dharmarasu N，Yamaguchi M，Khan A.High－Radiation－Resistant InGaP/InGaAs/P and InGaAs Solar Cells for Multijuction Solar Cells.Applied Physics，2001，79(15):2399–2401.

［6］牛振红，郭旗，任迪远，等.一种国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子辐照特性.核技术，2007，30(1):37－39.

［7］刘恩科.光电池及其应用.北京:科学出版社，1989.109－111.