空间GaAs/Ge太阳电池电学性能的数值模拟*

邓道平,胡建民

(哈尔滨师范大学)



空间GaAs/Ge太阳电池电学性能的数值模拟*

邓道平,胡建民**

(哈尔滨师范大学)

使用太阳电池模拟程序AFORS-HET拟合空间GaAs/Ge太阳电池的电学参数，以期为进一步研究空间太阳电池的辐照损伤效应开辟新途径.根据GaAs/Ge太阳电池的基本参数建立太阳电池基本模型，对照程序文件格式要求制作空间AM0标准太阳光谱和GaAs材料的吸收系数文件.数值模拟结果表明，模拟结果与实验数据符合，AFORS-HET程序能够很好地表征空间GaAs/Ge太阳电池内部载流子输运的基本性质.

GaAs太阳电池；AFORS-HET程序；数值模拟

0 引言

空间GaAs太阳电池凭借其优良的电学性能和抗辐射能力逐步成为航天领域的主电源.关于空间太阳电池的辐照损伤效应科技工作者做了大量的研究工作，相关研究结果为揭示空间太阳电池的辐照损伤机理及科学评价其在轨服役行为提供了实验依据和理论指导[1].然而，研究表明太阳电池内部载流子的输运性质是决定电池光电转换效率的关键因素[2]，而仅仅依靠实验手段分析太阳电池载流子的输运性质还存在诸多困难.为此，关于太阳电池的计算机模拟程序应运而生并得到广泛应用.太阳电池模拟程序能够直观呈现电池结构、材料组成与其电学性能之间的关系，在优化电池结构和材料设计参数，提高电池的光电转化效率、降低电池研发成本方面起到重要作用.

PC1D程序[3]由澳大利亚悉尼新南威尔士大学光伏研究中心研发，通过建立较为完整的半导体器件模型基于求解完全耦合的非线性方程实现对半导体器件中载流子准一维传输过程的模拟.PC1D程序于1985年首发，能够及时应用半导体基础理论研究的新成果不断完善，目前已更新至PC1D5.9版本.PC1D程序的特色是提供绒面太阳电池模型和两个完全独立的光源，不仅可以计算器件的能带、载流子复合率与产生率、载流子浓度和电流密度分布，同时还能够直接给出器件的I-V曲线、内外量子效率和少子扩散长度等性能参数.PC1D程序在分析空间太阳电池辐照损伤效应方面发挥了重要作用.胡建民等人[4]使用PC1D程序得到不同能量的电子和质子辐照下GaAs/Ge太阳电池少子扩散长度和多子浓度随入射粒子能量和注量变化的基本规律.

随着太阳电池基础理论研究的不断深入和计算机程序研发能力的不断增强，根据不同类型电池模拟的需要相继出现多种太阳电池模拟程序.1996年，比利时根特大学针对CuInSe2和GdTe薄膜电池研发SCAPS-1D模拟程序[5].1997年美国宾州大学针对梯度电池和多结太阳电池研发发布AMPS-1D模拟程序[6].2003年，AFORS-HET(Automat FOR Simulation of HETerostructures)程序由德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心研发成功，主要是基于光生载流子的输运机制用于同质或异质结光伏器件模拟[7,8].AFORS-HET允许用户以任意顺序排列半导体层进行建模，并分别设定每层材料的参数和界面性质，程序除能够计算I-V特性、内外量子效率等常规性能外，还可以给出器件的阻抗、表面光电压、电子束感应电流、电检测磁共振、光致发光和电致发光等多达20种测量分析结果.可见，AFORS-HET程序的模拟计算功能更加强大丰富.该文以空间GaAs/Ge太阳电池为研究对象，使用AFORS-HET太阳电池模拟程序拟合太阳电池的I-V特性和量子效率，研究结果可为进一步揭示空间GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤机理提供直接有效的分析方法.

1 试验方法和软件模拟参数设定

该文以单结GaAs/Ge太阳电池为研究对象，采用金属有机气相沉积法制备，面积为 2 cm × 1.4 cm，其结构参数如图1所示．

使用美国Spectrolab spectrosun solar simulatomodel X25 Mark Ⅱ型标准太阳模拟器提供AM0(辐照功率为1367 Wm-2)太阳光谱辐照条件，在25℃的环境温度下参照太阳电池国际测试标[9]测试电池的I-V特性；使用俄罗斯物理技术研究所研制的量子效率测试仪测量340～960 nm波段范围内太阳电池的相对光谱响应.

图1 空间GaAs/Ge太阳电池结构示意图

使用Afors-het程序需要进行单结GaAs/Ge太阳电池结构和材料性能参数设定，该文根据材料的理论值取电子亲和势为4.07 eV，禁带宽度为1.42 eV，导带和价带的状态密度分别为4.7×1017cm-3和7×1018cm-3，电子和空穴迁移率分别为8×103cm2·V-1·s-1和4×102cm2·V-1·s-1.各个活性层的厚度、掺杂浓度、串并联电阻和载流子寿命等相关参数值列于表1中.

表1 Afors-het程序模拟设定的相关参数

2 AFORS-HET程序拟合结果与讨论

AFORS-HET程序仅有AM1.5太阳光谱文件，为满足空间光照条件该文根据程序文件格式要求制作了AM0太阳光谱文件.取标准太阳光谱数据[10]制作光谱曲线与程序自带的AM1.5太阳光谱曲线进行对比发现，程序文件中AM1.5太阳光谱曲线与标准太阳光谱AM15G数据完全符合，说明AFORS-HET程序需要的AM0太阳光谱文件可以通过对标准太阳光谱数据进行格式转换获得，如图2所示.此外，使用GaAs材料光学吸收系数数据参照AFORS-HET程序对材料光学性质文件格式要求制作GaAs材料的吸收系数文件.GaAs材料的光学吸收系数曲线如图3所示.

图2 标准太阳能光谱

图3 GaAs材料的光学吸收系数曲线

该文依据图1所示的结构参数建立GaAs/Ge太阳电池模型，再根据表1中的数据设定模拟参数，使用AFORS-HET程序计算得到电池量子效率和I-V特性曲线.图4(a)和(b)分别是GaAs/Ge太阳电池量子效率和I-V特性的程序模拟曲线及与实验数据的对比.如图可见，程序模拟结果和实验结果符合，这说明AFORS-HET程序能够深入细致地表征空间GaAs/Ge太阳电池内部载流子的输运过程.

(a)

(b)图4 GaAs/Ge太阳电池(a)量子效率和(b)I-V特性的AFORS-HET程序拟合曲线与实验数据对比

3 结束语

该文参照空间GaAs/Ge太阳电池的实验参数和理论数据建立电池的基本模型，根据标准太阳光谱数据和GaAs材料光学吸收系数数据分别制作了满足AFORS-HET程序格式要求的AM0标准太阳光谱文件和GaAs材料吸收系数文件.使用AFORS-HET程序模拟空间GaAs/Ge太阳电池的量子效率和I-V特性.研究结果表明，AFORS-HET程序能够成为分析空间带电粒子辐照下GaAs/Ge太阳电池内部载流子输运过程提供有效手段，对于揭示空间太阳电池的辐照损伤机理具有重要意义.

[1] Anspaugh B E. GaAs Solar Cell Radiation Handbook. JPL Publication, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA, 1996.

[2] Sheng Yanhui, Hu Jianmin, Qi Jiahong, et al. The study of the carriers’ transport mechanism of GaAs/Ge solar cells based on irradiation damage model. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B, 2015, 360: 64-67.

[3] Basore P. http://www. pv. unsw. edu. au/infoabout/our-school/products-services/pc1d.

[4] 齐佳红，胡建民，盛延辉，等.电子辐照下GaAs/Ge太阳电池载流子输运机制研究[J].物理学报，2015，64(10)：108802.

[5] Burgelman M, Decock K, Khelifi S, et al.. Advanced electrical simulation of thin film solar cells. Thin Solid Films, 2013, 535: 296-301.

[6] Schropp R E I，Zeman M．Amorphous and Microcrystalline Silicon Solar Cells, Modeling Materials and Device Technology[R]. Kluwer, Boston, 1998.

[7] Stangl R, Haschke J, Leendertz C. Numerical Simulation of Solar Cells and Solar Cell Characterization Methods: the open-source on demand program AFORS-HET, version 2.4, published in the In Tech e-book: Solar Energy, 2009.

[8] Stangl R, Kriegel M, Maydell K V, et al. AFORS-HET, an open-source on demand numerical PC program for simulation of (thin film) heterojunction solar cells, version 1.2. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2005: 1556-1559.

[9] ASTM Standard E948 - 05a, Standard Test Method for Electrical Performance of Photovoltaic Cells Using Reference Cells Under Simulated Sunlight, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA. http://www.astm.org.

[10] ASTM Standard G173-03, Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37° Tilted Surface, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA. http://www.astm.org.The Numerical Simulation of the Electrical Properties of Space GaAs/Ge Solar Cells

(责任编辑：李家云)

Deng Daoping, Hu Jianmin

(Harbin Normal University)

In this paper, the electrical parameters of space GaAs/Ge solar cells is fitted by using solar cell simulation program AFORS-HET in order to further study irradiation damage effects of space solar cells. The basic model of the solar cells is established by the basic parameters of GaAs/Ge solar cells. The space AM0 standard solar spectrum and the absorption coefficient of GaAs material are made by contrast the program file format requirements. The simulation results showed that the simulation results were coincidence with the experimental data. The AFORS-HET program can be a good characterization of the internal the carriers’ transport basic properties of space GaAs/Ge solar cells.

GaAs solar cells; AFORS-HET program; Numerical simulation

2016-01-31

*黑龙江省高等学校教改工程项目(JG2013010361)、国家自然科学基金项目(批准号：11075043)和黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(12541233)

**通讯作者:hujianmin@foxmail.com

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1000-5617(2016)02-0085-03