空间太阳电池抗辐照研究

高剑锋，张 恒

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间太阳电池抗辐照研究

高剑锋，张 恒

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

复杂恶劣的空间环境会导致太阳电池产生辐照损伤效应，影响航天器在轨运行的可靠性和寿命。虽然高效三结太阳电池已实现空间应用，但是随着空间科学技术的发展，航天器的功率和寿命要求越来越高，对太阳电池的转换效率和抗辐照能力也提出了更高的要求。介绍了太阳电池在辐照效应和损伤机理方面的研究工作，及太阳电池在轨性能退化评估方法，着重分析了多结叠层太阳电池提升光电转换效率和抗辐照性能的主要技术途径和现状，并对未来空间太阳电池抗辐照研究发展趋势进行了展望。

辐照损伤;在轨性能退化;多结叠层太阳电池;抗辐照性能

作为航天器电源系统的重要组成部分，太阳电池需要更高的转换效率、更高的可靠性和更长的使用寿命。但是，由于航天器在轨飞行期间要经历复杂恶劣的空间环境，太阳电池暴露于外部空间，必然要遭受宇宙空间射线的作用。一般宇宙空间射线主要包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地球辐射带辐射(范艾伦带)等[1]。银河宇宙射线是由太阳系外从银河系各个方向进入的能量极高的带电粒子，它是由通量极低、能量极高的带电粒子组成，其中质子约占85%，α粒子约占13%，其余2%主要为元素从锂到铁的原子核。太阳宇宙射线是太阳耀斑爆发期间辐射出大量高能带电粒子，其主要成分是质子，还包含少量的电子、α粒子和少数电荷数大于3的重核离子。地球辐射带又叫范艾伦带，是地球磁场捕获宇宙射线中的带电粒子而形成的一个磁致浓缩区分布在地球周围，其中，低能粒子通量比高能粒子通量大很多。在上述空间射线中，由于高能量的粒子一般可以穿透电池，造成均匀损伤，辐射能量越高，电池的损伤越小，所以银河宇宙射线和太阳宇宙射线对电池造成的影响不大。但是低能粒子往往不可穿透材料，对材料表面结构造成很大损伤，尤其对光电转换器件的性能有着严重的影响，将直接影响航天器在轨运行的可靠性和使用寿命，因此含有高通量低能带电粒子的范艾伦带成为航天器在轨工作的主要威胁。

目前，针对空间太阳电池的抗辐照要求，国内外已开展了大量相关研究工作，其中以下几个方面的工作是研究的热点。一是太阳电池的辐照效应和损伤机理研究。由于在实际空间辐照环境下直接进行在轨性能退化研究较为困难，且成本高，危险性大，因此多是利用地面加速器提供的粒子束对电池开展地面等效辐照效应模拟，研究电池的损伤机理。二是优化太阳电池在轨性能退化的评价方法。通过地面模拟实验评估太阳电池在太空服役时电学性能的退化，可以科学有效地预测太阳电池的在轨行为。三是增强太阳电池对粒子辐照的防护，提高太阳电池的抗辐照特性。增强防护是延长电池服役期限的有效方法，目前主要的手段是在太阳电池表面覆盖防护玻璃，其可以起到屏蔽一部分空间粒子辐照的作用。而通过优化太阳电池的结构和提高电池材料晶体质量，可使电池的辐照衰降降低。四是研发更高效率的太阳电池。随着航天器对供能器件提出更高的要求，需要研发具有更高光电转换效率的太阳电池，以提高太阳电池的初始寿命效率。本文将从以上四个方面展开论述太阳电池抗辐照研究的进展。

1 太阳电池的辐照效应和损伤机理

空间辐照对半导体材料和器件的损伤主要有两种方式：一种是电离损伤，即入射粒子使被辐照物质的原子产生电离，从而产生带电中心或电荷；另一种损伤为位移损伤。即高能粒子击中材料中的原子使其脱离原本所处晶格位置，从而造成晶格损伤缺陷。相对于电离损伤，位移损伤形成的损伤缺陷对太阳电池器件会造成更为严重的影响。一是形成复合中心，使半导体材料或器件中的导带电子和价带空穴复合，缩短载流子寿命；二是起到补偿受主或施主的作用，导致半导体材料变得更加本征化和高补偿化；三是作为缺陷散射中心，降低载流子的迁移率，造成器件性能的退化。

在空间辐射环境中，对太阳电池产生位移损伤的主要辐射来源是电子和质子，其能量从几电子伏特到几百兆电子伏特，且根据航天器所处轨道不同，带电粒子通量也有所差异。在太阳电池中，位移损伤缺陷起复合中心的作用，其浓度NT与粒子的辐照注量φ成正比[2]：

式中：K0为平均每个粒子在单位路径上产生的复合中心数，其数值取决于辐照粒子的性质和能量。由于辐照产生了新的复合中心，因而少子的寿命将发生改变，少子寿命与辐照注量有如下关系：

式中：τ和τ0分别表示辐照前后少子寿命；K为寿命损伤系数。可见1/τ与复合中心浓度NT成正比。

式中：L为少子扩散长度；L0为无缺陷III-V材料的扩散长度；KL为与材料相关的辐照损伤系数，其数值大小可以反应材料的抗辐照性能。由于电池中的位错也会作为光生载流子的复合中心，会对电池的性能产生影响，因而若考虑电池材料中存在的位错密度，式(3)应修正为：

式中：Ndis为电池材料中的位错密度。

对于一定波长的入射光，光电池的短路电流与少子扩散长度成正比，即[4]：

而反向饱和电流与少子寿命的关系为：

开路电压的关系式为：

最大功率的关系式为：

因此，从公式(1)～(3)可见，辐照在太阳电池材料中产生的位移损伤缺陷作为复合中心，会降低光生少数载流子寿命。少子寿命降低导致其扩散长度缩短，从而造成部分少子来不及扩散到空间电荷区被内建电场分离就发生复合，致使少子收集效率降低并使电池的光电转换效率下降。而辐照产生的微观损伤最终会导致太阳电池电学性能下降，从公式(5)～(8)可见辐照使太阳电池中的反向饱和电流增大，相应的电池短路电流、开路电压和最大输出功率发生衰降。

2 太阳电池在轨性能退化的评价方法

通过地面模拟实验可以为科学有效地预测太阳电池在轨行为提供试验数据。目前主要的预测方法为等效注量法和位移损伤法。

等效注量法是目前国际上预测太阳电池在轨行为的主要方法。由于在实际空间环境中，带电粒子的能量是连续分布的，但在地面模拟实验中不可能同时模拟所有能量的带电粒子谱，一般只能模拟一种能量的粒子辐照。等效注量法就是将不同能量和不同类型的带电粒子引起的辐照损伤效应通过相对损伤系数联系起来，进而实现实验室中的单能粒子辐照与空间带电粒子能谱效应的等效[5]。辐照损伤效应的等效性是基于太阳电池的电学性能与辐照注量的关系加以表征。先通过实验给出不同类型和不同能量带电粒子辐照下太阳电池的电性能退化到某一水平时的临界注量，并计算不同能量带电粒子相对于1 MeV电子或10 MeV质子的临界注量之比来计算相对损伤系数，然后根据轨道环境参数计算空间带电粒子能谱，结合相对损伤系数得到空间带电粒子等效为1 MeV电子(或10 MeV质子)的等效注量，最后根据等效注量和1 MeV电子(或10 MeV质子)辐照下电池电学性能退化给出电池在轨行为预测结果。通过此方法，可以建立一个不同能量电子、质子与1 MeV电子(或10 MeV质子)之间辐射损伤等效关系的数据库，用于对空间连续能谱中太阳电池辐射损伤进行分析和评估。在实际工程应用中，等效注量法已成为预测空间GaAs单结太阳电池在轨行为的通用方法，但随着高效多结叠层太阳电池进入航天应用领域，该方法也可以用于多结太阳电池在轨行为的预测研究。P.R.Sharp等人[6-7]研究了GaAs单结、GaInP/GaAs双结和GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的辐照效应，得到了10 MeV质子等效为1 MeV电子的转化因子，如表1所示，可见不同结构的太阳电池其转化因子差异较大。

表1 单结、双结和三结太阳电池的10 MeV质子等效为1 MeV电子辐照的转化因子列表

位移损伤法是基于非电离能量损失创建的太阳电池辐射损伤评估方法。该方法首先对不同能量粒子在太阳电池材料中的非电离能损失进行计算，获得不同能量粒子在电池材料中的非电离能损伤等效系数，通过粒子的非电离能量损失将粒子辐照注量转换为位移损伤计量，获得太阳电池电性能随位移损伤剂量退化的特征曲线，最后再由空间带电粒子能谱和非电离能损失计算太阳电池在轨服役的等效位移损伤剂量，实现对太阳电池在轨行为预测。M.Yamaguchi等人采用位移损伤法研究了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池质子辐照下电性能退化特性[8]，如图1所示为GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池开路电压Voc的退化曲线，可见小于0.1 MeV质子主要会造成GaInP子电池损伤，而大于0.15 MeV质子主要对损伤GaAs子电池。

图1 质子辐照下GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的开路电压Voc与质子能量的关系[8]

3 提高太阳电池的抗辐照能力

针对太阳电池的辐照损伤问题，采用在电池表面加装玻璃盖片，用增加盖片厚度的方法可以达到有效防护的目的。但增加防护盖片的厚度不仅会增加卫星质量，还会降低运载火箭的有效载荷。此外，尽管加装防护盖片在一定程度上屏蔽了大量的低能粒子，起到了一定的防护效果，但是对于MeV量级的高能粒子来说，其强大的穿透能力仍会对太阳电池造成辐照损伤效应。因此对太阳电池本身的结构和材料质量进行优化，提高太阳电池的抗辐照性能是十分重要的。

由于辐照会使得电池产生的光生载流子扩散长度减小，降低光生载流子的收集效率，因而在一定程度上减薄子电池厚度，从而减小光生载流子在到达空间电荷区前的扩散过程中的复合是提高电池抗辐照性能的有效方法。这一点也可以在电池非辐射复合电流密度JSRH的分析中得到验证，在半解析模型中，少数载流子寿命与非辐射复合电流密度JSRH存在以下关系[9]：

式中：d为子电池吸收区(基区和发射区)的厚度。从式中可以看出减小电池吸收区厚度d可以使非辐射复合电流密度JSRH降低，从而减小辐照缺陷造成的电池效率衰降。但是子电池吸收区厚度的减薄势必会导致电池对光子的吸收能力降低，因而子电池基区和发射区的厚度需要进一步优化。

在多结叠层太阳电池中，各子电池具有不同的辐照衰降，为了追求太阳电池在服役寿命末期取得尽量大的输出功率，因而在寿命末期时各子电池的电流一致是子电池性能匹配的最终目标。以目前广泛应用的GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池为例，Ga(In)As中间电池的辐照衰降要大于GaInP顶电池，是限制电池抗辐照性能的短板。因此在设计电池结构时需要有意让Ga(In)As中间电池的初始电流略高于GaInP顶电池。另外，为了降低Ga(In)As子电池的辐照衰降，可以减薄Ga(In)As子电池的厚度，并在外延生长过程中在其背场层上制备分布布拉格反射器(DBR)，以解决减薄吸收层厚度带来的子电池光子吸收能力下降的问题。通过上述优化，Azur报道初期寿命为29.5%的3G30三结太阳电池经能量为1 MeV，通量1×1015/cm2的电子辐照后末期寿命26.8%，衰降仅为9.2%[10]。

对于反向外延生长的多结叠层太阳电池 (Inverted metamorphic multijunction，IMM)，由于其需要采用金属键合的方式将外延层转移至支撑衬底上，因此可以在带隙最小的底电池的背场层上制备一层Au金属层，它不仅作为键合的接触层，也可以起到反射光子的作用[11]。以GaInP(1.9 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(1.0 eV)/InGaAs(0.69 eV)反向四结电池为例，一方面，InGaAs与GaAs衬底存在晶格失配，使得InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.69 eV)子电池中产生较多的位错，恶化的晶体质量使得该两结子电池的少子扩散长度进一步降低[见公式(4)]；另一方面，在InGaAs材料体系中，随着InGaAs材料中In组分的增加，辐照损伤系数KL逐渐增大，这说明辐照后的电池中，InGaAs(0.69 eV)子电池的少子扩散长度减小程度最大，也是辐照衰降最严重的一个子电池。通过在InGaAs(0.69 eV)子电池的背场层上制备一层Au金属反射层，可以反射透过子电池pn结的光子，从而被该结子电池重吸收。若考虑InGaAs(0.69 eV)子电池中存在5×106cm－2的位错密度，通过漂移扩散模型模拟反向四结电池光电转换效率，可以发现若没有Au金属层的背反射作用，在AM0光谱照射下获得36.5%的最大光电转换效率对应的InGaAs(0.69 eV)子电池的最薄基区和发射区厚度分别为2和0.5 μm；而存在Au金属层的情况下，相同最大光电转换效率对应的InGaAs(0.69 eV)子电池的最薄的基区和发射区厚度分别为0.3和0.5 μm[12]。因此对于InGaAs(0.69 eV)子电池来说，由于Au金属层的背反射作用，可以制备薄基区和发射区提高其抗辐照性能。

4 更高效率的太阳电池研发

为了追求太阳电池更长的在轨应用周期，且在寿命末期的输出功率满足航天器的使用要求，还需要研发更高转换效率的太阳电池，提高太阳电池的初始寿命效率。目前，成熟应用于空间飞行器太阳电池阵的太阳电池是GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，其AM0光谱下的光电转换效率已达到30%，但受制于晶格匹配的限制，GaInP顶电池、GaAs中间电池和Ge底电池的电流并不匹配，使得进一步增加其效率变得更加困难。为了获得更高的转换效率，带隙匹配成为设计多结叠层太阳电池结构时需要考虑的主要因素。在三结太阳电池中，要达到带隙匹配的目的需要减少GaInP和InGaAs材料的带隙宽度，来增加顶电池和中间电池的光谱响应范围，从而增加它们的短路电流并削减Ge底电池过剩的短路电流。但带隙匹配是以晶格失配为代价，继而会带来高密度失配位错，表面形貌粗糙，外延片弯曲的问题。为了克服这些问题，渐变缓冲层被引入晶格失配太阳电池结构中，通过采用晶格常数渐变的多层结构实现晶格弛豫，有效地减小了晶格失配对电池器件性能的影响。2009年，Wolfgang Guter等人采用 Ga0.35In0.65P(1.69 eV)/Ga0.83In0.17As(1.18 eV)/Ge(0.67 eV)结构的晶格失配三结太阳电池，在AM1.5，454倍聚光条件下，实现光电转换效率41.1%[13]。

兼顾衬底重复利用和可柔性化等优点，反向生长晶格失配(IMM)太阳电池成为制备多结叠层太阳电池的另一条途径。该技术的外延生长方向与电池结构相反，即先生长与衬底晶格匹配的顶电池和中间电池，然后生长渐变缓冲层调制晶格常数，最后生长底电池，外延后还需要进行键合和衬底剥离工艺，再进行电池器件工艺制备。日本Sharp公司目前保持着IMM三结太阳电池的世界纪录，其制备的GaInP(1.88 eV)/GaAs(1.42 eV)/InGaAs(0.98 eV)结构的IMM三结太阳电池在AM1.5，302倍聚光下的效率达到44.4%[14]。

进一步的效率提高需要改善电池带隙分布与太阳光谱之间的匹配以减少开路电压和热载流子损耗。在高于三结的结构中，生长晶格失配结构较为困难，其涉及多次晶格常数渐变，不利于获得高晶体质量的外延材料。半导体键合技术的出现克服了晶格失配的缺点，且其带隙选择的范围广，容易实现最优化的带隙组合。2013年，美国Spectrolab公司公布了键和五结电池AlGaInP(2.2 eV)/AlGaAs(1.7 eV)/GaAs(1.4 eV)/GaInAsP(1.05 eV)/GaInAs(0.73 eV)，其中上面三结子电池倒置生长在GaAs衬底上，下面两结子电池正置生长在InP衬底上，各子电池与其生长衬底都是晶格匹配的，然后通过半导体键合连接在一起，然后除去GaAs衬底，该结构可实现各子电池最优的带隙组合，又保证了晶体材料的高质量生长，最终获得在AM0光谱下35.8%和AM1.5光谱下38.8%的光电转换效率，是目前非聚光条件下的最高效率[15]。在聚光条件下，多结太阳电池的最高效率则由德国Fraunhofer ISE和法国Soitec公司在2014年研发的GaInP/GaAs//GaAsP/GaInAs(带隙分布为1.88/1.44//1.11/0.70 eV)键合四结太阳电池获得，为46%(AM1.5，508 倍聚光条件)[16]。

5 结语

复杂恶劣的空间环境会导致太阳电池产生辐照损伤效应，影响航天器在轨运行的可靠性和在轨寿命。针对于此，国内外研究单位一方面开展太阳电池的辐照效应研究，深入理解太阳电池的损伤机理，并在地面模拟评估太阳电池在太空工作时电学性能的退化，科学有效地预测太阳电池的在轨行为。另一方面，尽管目前转换效率达30%的三结太阳电池已实现空间应用，但是随着航天器的功率和寿命要求越来越高，对太阳电池的转换效率和抗辐照能力也提出了更高的要求，这需要不断研发新型太阳电池技术，改进电池结构和制造工艺，提高太阳电池的转换效率，并增强太阳电池的抗辐照性能。

因此采用晶格失配生长，反相外延生长和半导体键合等技术制备的四结和五结叠层太阳电池已实现光电转换效率的提升，但是相对于晶格匹配太阳电池，这些新结构高效多结太阳电池的抗辐照性能还有待提高。此外，针对多结叠层太阳电池的辐照效应和损伤机理的研究还处于起步阶段，而对其进行空间环境的地面模拟实验，预测其在轨行为的相关研究也少见报道。这些研究工作将是未来空间太阳电池抗辐照研究的主要研究方向。

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Anti-irradiation research of space solar cells

GAO Jian-feng,ZHANG Heng
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The harsh space environment will result in the irradiation damage of the solar cells,and affect the reliability and service lifetime of the spacecraft in orbit.Although high-efficient tandem solar cells have been used in space,with the development of space science and technology,requirements for improving the conversion efficiency and the anti-irradiation performance of solar cell have been proposed due to the higher demands of power and life of spacecraft.In this paper,the research of irradiation effect and irradiation-induced damage mechanism of space solar cell and the methods of evaluating performance in orbit for space solar cell were reviewed.Besides,solutions which could improve the conversion efficiency and the anti-irradiation performance of solar cell were discussed.Finally,the future direction was prospected on the basis of the overview of the development status of research of space solar cell.

irradiation damage;degradation of solar cell in orbit;multi-junction solar cells;anti-irradiation performance

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1100-04

2017-02-15

高剑锋(1977—)，男，河南省人，高级工程师，主要研究方向为太阳电池。