GaAs太阳电池空间质子辐射损伤的分子动力学研究

赵鹏飞，方美华，陈飞达，朱基聪

（南京航空航天大学 航天学院，南京 210016）

GaAs太阳电池空间质子辐射损伤的分子动力学研究

赵鹏飞，方美华，陈飞达，朱基聪

（南京航空航天大学 航天学院，南京 210016）

GaAs太阳电池在空间辐射条件下的性能衰减与电池内部微观结构紧密相关。文章针对空间辐射带质子辐照GaAs材料，利用分子动力学方法研究由被辐射材料中产生的不同能量（0.1～10 keV）初级离位原子（PKA）引起的级联碰撞过程，分析缺陷随辐照时间、入射PKA能量的演化规律，探讨点缺陷和缺陷簇的形成特征。研究发现，在GaAs材料的缺陷对数目随时间的演化曲线中，在“离位峰”和稳定状态时，缺陷对数目与PKA能量呈一定的线性关系；PKA能量越高，辐射损伤越严重、越不易恢复，但缺陷复合率随能量升高趋于饱和；点缺陷在GaAs中主要以缺陷簇的方式存在，且随着能量的升高，孤立缺陷倾向于缔合成缺陷簇。

GaAs太阳电池；空间辐射；级联碰撞；微观缺陷；分子动力学；理论研究；仿真分析

0 引言

GaAs太阳电池是航天应用最广泛的太阳电池之一，是空间大多数航天器的主要动力源[1-4]。空间粒子辐射是造成GaAs太阳电池性能衰减的主要原因，严重影响其可靠性和使用寿命[5-8]。

国内外关于空间用GaAs太阳电池辐射性能衰减的研究方法主要有位移损伤剂量法和等效注量法，这两种方法将太阳电池的性能参数（如开路电压、短路电流、最大功率等）的衰减变化与位移损伤剂量和辐射粒子注量直接关联，得到规律性的衰减曲线[9-11]，建立经验模型。理论分析表明，GaAs电池性能变化的根本原因在于其微观结构的变化，即由辐射导致的材料内部微观尺度缺陷（如点缺陷、缺陷簇等）的动态演化[5-6]，这些缺陷可在带隙中形成深能级，缩短少子的寿命，进而导致电池电性能衰减。而辐射产生的深能级与缺陷的类型和密度等相关，为此有必要开展空间粒子辐射致GaAs电池内微观缺陷的研究。

我们采用在辐射致材料微观损伤模拟研究中有广泛应用的分子动力学[12-14]方法研究空间粒子辐射在GaAs太阳电池中产生微观缺陷的动力学过程。目前，尚未发现国内有用分子动力学方法开展GaAs材料辐照损伤相关研究的报道，国外关于这方面的研究成果见诸文献报道的也不多，前期的研究主要受限于描述 GaAs原子间相互作用的势函数[15-17]，直到2002年Albe等人[18]发表GaAs的Tersoff-ZBL势函数后才陆续公布了一些研究成果，主要成果集中在一个课题组，相关的研究包括：Albe等人[18]对6 MeV的He离子和100 keV的H离子在GaAs中产生的缺陷簇以及辐射产生的无定型区域的研究；Björkas等人[19-20]对轻、重离子在GaAs量子阱中的缺陷簇损伤及损伤簇特性的研究。迄今，利用分子动力学方法研究GaAs太阳电池辐射损伤所取得的成果主要集中在辐射后缺陷或缺陷簇的特性，尚未有研究分析空间辐射环境对缺陷的复合、点缺陷的演化以及整个动态过程。

考虑到GaAs太阳电池空间应用的重要性，本文以空间捕获辐射带中的质子为背景条件，以GaAs太阳电池为研究对象，选取质子辐射材料所产生的初级离位原子（primary knock-on atom, PKA）进行级联碰撞模拟，跟踪缺陷的演化，探究点缺陷和缺陷簇随入射粒子能量的变化规律。

1 计算方法

空间辐射粒子射入GaAs太阳电池之后会在其中产生PKA，由PKA再引发级联碰撞。本章首先理论分析PKA的能谱分布，然后采用基于分子动力学方法的LAMMPS（large-scale atomic/ molecular massively parallel simulator）计算程序对 GaAs材料内部的级联碰撞过程进行模拟研究。

1.1 空间质子辐射产生的PKA能谱

地球辐射带的主要成分为电子和质子，其中质子因为能量高、质量较大等特性，更易于产生PKA。当用质子辐照GaAs材料时， PKA数目与能量的关系可以表示为[5]

其中：Np为产生的PKA数目；N为靶的原子数密度；φ(Ein)为入射质子通量分布函数；K(Ein, E)为能量传递截面；Λ为能量因子，Λ=4M1M2/(M1+M2)2；M1、M2分别为入射粒子和靶原子的相对原子质量。地球辐射带中质子的能量为 0.1～400 MeV，故式(1)中K(Ein, E)取库仑势的微分截面，则可以得到质子入射产生的PKA能谱分布，如图1所示。

由图1可以看出，低能量质子所产生的能量相同的PKA数目较多，这与不同能量质子由核阻止而损失的能量大小有关。从损伤产生的条件和数量考虑，选择能量为0.1、1、3、5、7和10 keV的PKA进行后续级联碰撞研究，使得到的结果能比较准确地反映辐射带质子辐射GaAs所造成的损伤。

1.2 分子动力学计算模型和基本过程

GaAs的晶体结构为闪锌矿结构，由2个面心立方晶格沿空间对角线位移1/4的长度套构而成，每个原子周围有 4个最邻近原子且总是处于一个正四面体的顶点，呈四面体结构[21]。本文建立的模拟盒子尺寸大小为40a×40a×40a（其中a为GaAs晶格常数，a=5.65 Å），共包含5.12×105个原子，可以保证辐射产生的缺陷位于模拟体系内以进行统计分析，且模拟盒子x、y、z三个方向采用周期性边界条件。

设定模拟温度为 300 K，并在等温等体积的NVT体系下进行充分的弛豫使体系能量达到稳定，以弛豫结束后的体系作为模拟辐照的初始结构。由于GaAs中的As原子和Ga原子数目相等，并且质量相差不大，可以认为Ga或As分别作为PKA入射时所造成的缺陷差别不大[17]。为此，本文从模拟体系的中心附近随机选取一个As原子并施加相应能量和速度后将其作为入射的 PKA；为防止出现沟道效应，参考入射方向为与 z轴成 7°角[22]。在模拟过程中，采用Berendsen热浴的方法以保持边界区域温度不变。

在计算过程中，GaAs原子间的相互作用采用Tersoff-ZBL混合势函数来描述。Tersoff势函数[14]适合于描述长程作用力，相关参数来源于文献[18]。ZBL势函数[23]适合于短程作用力，主要表示碰撞时两原子间的相互作用，Tersoff-ZBL混合势函数能较好地描述级联碰撞的整个动态过程。

碰撞所产生的点缺陷通过 Wigner-Seitz（即Voronoi[16,24]）方法来识别。同时，对于每一个确定的能量，选择几个不同的PKA进行多次模拟，取平均值作为最后的模拟结果。

2 模拟结果分析

在辐射造成的缺陷中，不仅包括点缺陷，还包括缺陷簇，两者在不同程度上影响太阳电池的性能，下文将从这两点出发对模拟结果进行深入分析。

2.1 点缺陷

2.1.1 时间演化规律

辐射产生的缺陷主要为弗兰克尔缺陷对形式，即空位和间隙原子成对存在。首先根据1.1节所确定的 PKA能量入射，计算不同能量条件下 GaAs结构内部缺陷随时间的演化，结果如图2所示。由图可以看出：1）在碰撞过程中，明显存在缺陷产生、复合、平衡3个不同阶段。PKA入射开始后，缺陷数目急剧增多直至达到一个峰值，即出现“离位峰”；而后缺陷开始复合，缺陷数目下降，最后达到一个稳定状态，缺陷数目在很小的范围内波动，保持相对的平衡。2）对比不同能量PKA入射所产生的缺陷随时间的变化，发现随着PKA能量的增加，达到“离位峰”所需的时间就越长，“离位峰”处的缺陷数目增多，最后达到稳定状态时的缺陷数目也越多。上述模拟结果符合辐射条件下微观缺陷在材料中演化的一般规律。

2.1.2 缺陷对特征数目

以“离位峰”峰值和稳定时的缺陷作为特征点，研究缺陷数目随能量的变化，得到结果如图3所示。从图中可以看出，“离位峰”峰值和稳定时缺陷数目与能量之间均存在着一定的线性关系，据此可以预估当入射PKA能量低于10 keV时，不同能量下出现的“离位峰”峰值和稳定时缺陷数目。根据Kinchin-Pease(K-P)理论[5,25]分析，稳定状态下辐射离位缺陷对数目可表示为

其中EPKA、Ed分别表示入射PKA的能量和材料的离位阈能。GaAs的平均离位阈能约为15～30 eV[5,18]；若得到的缺陷数目范围位于图3中的阴影区时，则证明模拟结果和理论值吻合较好。

2.1.3 缺陷对复合率

复合率定义为

式中：Nmax、NFS分别为“离位峰”和稳定状态时缺陷对数目。图4展示了复合率随PKA能量的变化曲线。

从图4中可以看出，当入射PKA能量在0.1～10 keV时，复合率随能量增加逐渐降低，其数值在0.57～0.75之间变化，可做如下分析：对于入射能量为 0.1 keV，由于次级离位原子获得的能量低，使离位原子离开点阵位置的距离近，当达到稳定状态时，大多数偏离平衡位置的缺陷又会重新复合，从而复合率大；随着能量升高，离位原子获得较大能量且可离开原点阵位置较远，因而复合率逐渐降低。同时从图中缺陷复合率的趋势可以发现，随着PKA能量的增加，复合率变化逐渐趋于平缓，这可能与入射PKA能量的增加促进了体系的热振动有关。总的来说，当GaAs材料受到质子辐照时，辐照能量越高，稳定时存在的缺陷对数目就越多，辐射对材料造成的损伤越难以恢复。

2.2 缺陷簇

辐照在材料中产生的点缺陷不仅以孤立的点缺陷存在，也可以彼此缔合成缺陷簇。缺陷簇的存在不仅影响原子迁移，而且由于缺陷簇中原子活动性高，使簇的形状不断改变，严重影响材料的性能，进而缩短太阳电池的寿命，威胁航天器的在轨安全。

以一个晶格常数（5.65Å）为截断半径，研究了不同能量下，在GaAs结构内部所产生的缺陷特征，结果如表1所示。由表可以看出：孤立的点缺陷占总缺陷的比值小，大部分的缺陷都是以缺陷团簇的形式存在；孤立的间隙原子与空位相比，间隙原子多于空位，这是由于间隙原子比空位更容易产生。通过进一步分析还可发现以下规律：1）随着能量的升高，总缺陷中孤立点缺陷所占百分比逐渐降低，而缺陷簇所占百分比却明显升高，说明随着入射PKA能量的升高，点缺陷更倾向于缔合成为缺陷簇；2）与空位缺陷相比，孤立点缺陷中间隙原子更容易存在，相反地，在缺陷簇中，空位多于间隙原子；3）5、7和10 keV条件下，孤立点缺陷所占百分比有下降趋势，但数值相差不大，这表明随着能量的增加，孤立点缺陷在总缺陷中是相对稳定的部分，发生变化的是孤立点缺陷之外的其他缺陷。

表1 不同能量下GaAs材料各种缺陷的数目Table 1 The numbers of different defects in GaAs cascades under various energies

3 结束语

研究GaAs太阳电池在空间辐射条件下的性能衰减，对于指导防护方案的优化，提高其可靠性和寿命具有重要意义。本文以空间辐射带质子辐射在GaAs材料中所产生的不同能量的PKA作为入射粒子，采用分子动力学方法研究了PKA在GaAs材料中引发的级联碰撞过程，系统地分析了点缺陷随时间的演化规律，点缺陷和缺陷簇随入射粒子能量的变化及特征，为下一步建立从微观到宏观的GaAs电池辐射性能衰减关联模型提供了数据支撑。

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（编辑：肖福根）

Molecular dynamics simulation on radiation damages of GaAs solar cells caused by spatial protons

ZHAO Pengfei, FANG Meihua, CHEN Feida, ZHU Jicong
(College of Aeronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The performance degradation of GaAs solar cells under the conditions of space radiation is closely related to the microstructure of the cells. Based on the molecular dynamics, this paper studies the collision cascade process caused by the PKA, generated by the protons in the spatial capture zone and with different energies(0.1 to 10 keV). We analyze the evolution of the defects against the time and the energy of the PKA, as well as the formation characteristics of the point defects and the defect clusters. A certain linear relationship is shown to exist between the number of Frenkel pairs and the PKA energies at the “displacement spike” and in the steady state; the higher the PKA energy is, the more serious the radiation damages will be, and the defects are harder to recover, but the recombination rate of the defects tends to saturate; the point defects in the GaAs exist mainly in the form of defect clusters, and with the increase of the PKA energy, the isolated defects tend to associate with the defect clusters.

GaAs solar cells; space radiation; cascade collision; microscopic defects; molecular dynamics;theoretical study; simulation analysis

O483; O561.4

：A

：1673-1379(2017)03-0247-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.004

赵鹏飞（1991—），男，硕士研究生，专业方向为人机与环境工程专业。通信作者：方美华（1982—），女，博士学位，研究方向为空间辐射环境及其效应；E-mail: fmh_medphys@nuaa.edu.cn。

2016-10-18；

2017-05-14

国家自然基金青年基金资助课题（编号：11405085）;江苏省青年科学基金资助课题（编号：BK20130789）；南京航空航天大学研究生创新基地开放基金资助课题（编号：kfjj20150602）

赵鹏飞，方美华，陈飞达，等. GaAs太阳电池空间质子辐射损伤的分子动力学研究[J]. 航天器环境工程, 2017,34(3)： 247-251

ZHAO P F, FANG M H, CHEN F D, et al. Molecular dynamics simulation on radiation damages of GaAs solar cells caused by spatial protons[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 247-251