温度及功率变化研究电子辐射GaAs电池的热淬灭效应

刘晏妤，吴 锐，王君玲，刘 俊，鄢 刚，王 荣,*

(1.北京师范大学 射线束技术教育部重点实验室，核科学与技术学院，北京 100875；2.北京市辐射中心，北京 100875)

因GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池具有较高的光电转换效率和较强的抗辐射性能，在航天器技术领域有着广泛的应用前景[1-2]。但其在空间中应用会受到大量带电粒子的辐射，特别是高能电子的辐射，导致其性能发生衰降[3-4]，影响航天器电源系统的工作寿命，因此必须对其辐射效应及损伤机理进行研究。本课题组利用变温光致发光(PL)分析了电子辐射GaInP顶电池的热淬灭效应，得到辐射引入GaInP顶电池中激活能Ev+0.55 eV的空穴陷阱是非辐射复合中心，即此中心是引起其性能衰降的主要原因[5]。而GaAs中间电池作为GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的子电池，电子辐射引起其性能衰降更显著[6]，有必要对GaAs中间电池辐射损伤机理做进一步探索分析。已有研究表明，PL光谱强度会因激发功率不同而发生显著变化[7]。因此，本工作利用温度及激发功率变化光致发光分析电子辐射GaAs中间电池的热淬灭效应，探究发生热淬灭效应的缺陷与影响电池性能衰降的联系。

1 实验

实验辐射样品为国产空间GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备，其结构如图1所示。用1.0 MeV电子对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池进行辐射实验，电子注量为5×1014cm-2。光致发光分析中采用波长为730 nm、最大功率为10 W·cm-2的激光器作为激发光源。激光经斩波器调制形成与斩波器同频率的光入射到GaAs电池样品上，GaAs电池表面产生同频率的荧光信号，荧光信号被透镜汇聚及单色仪(卓立汉光公司的Omni-λ500，刻度线为600 grooves/mm)分光，由Si光电探测器(DSi200)转换成电信号，再输入到锁相放大器(美国SRS公司的数字双相型SR830)进行放大，最后由计算机进行数据处理。利用压缩机(美国ARS公司的ARS-4HW)和温控仪(美国Lakeshore公司的335A1F1)实现样品的变温(10～300 K)测量。其中，实验激发功率范围为2.60～9.21 W·cm-2。

图1 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构示意图

2 结果与分析

激发功率恒定(7.03 W·cm-2)，变温(10～300 K)测量光致发光谱，其测试结果示于图2a。然后温度恒定(150 K)，激发功率变化(4.43～8.73 W·cm-2)测量光致发光谱，其测试结果示于图2b。由图2a可知，温度为10 K时PL峰强度最高，且对应的光子能量为1.438 eV。当温度逐渐升高至70、130、180、250、300 K时，峰位对应的光子能量分别为1.433、1.423、1.416、1.408、1.391 eV，光谱发生了红移，符合Vashni公式的描述[8]；且PL峰强度随温度升高而降低。由图2b可知，激发功率为4.43 W·cm-2时PL峰强度最低，且对应的光子能量为1.432 eV。当激发功率逐渐增大至5.97、7.03、7.75、8.29、8.73 W·cm-2时，峰位对应的光子能量为1.428、1.423、1.418、1.413、1.410 eV，光谱也发生了红移；且PL峰强度随激发功率的增大而升高。

图2 变温PL光谱和变功率PL光谱

为进一步确定电子辐射GaAs中间电池PL强度与温度的联系，分别选取激发功率为2.60、7.03、8.73 W·cm-2，测量变温(10～300 K，间隔25～35 K)光致发光谱，其结果示于图3，即PL强度与温度倒数的Arrhenius图。

图3 PL强度与温度倒数的Arrhenius图

由图3可知，PL强度随温度升高而降低，即热淬灭效应。PL强度随温度变化可分为两个区域：温度低于40 K和40～300 K。温度低于40 K时，PL强度随温度的升高缓慢减小。温度从40 K升至300 K，PL强度迅速下降，这是因为GaAs中间电池的非辐射复合中心被热激活，非辐射复合中心迅速捕获光生载流子，加剧了PL强度的热淬灭效应[9]。当温度高于40 K时非辐射复合中心被热激活，为了确定其热激活能，采用双中心(假定存在A和B两种缺陷，实际还存在其他缺陷)Arrhenius方程[10]拟合实验数据点，则：

(1)

其中：IPL(T)/IPL(0)为归一化PL强度；E1和E2分别为缺陷A和B的热激活能；C1和C2分别为缺陷A和B辐射复合寿命和非辐射复合寿命的比值；k为波尔兹曼常数；T为实验温度。利用式(1)对温度高于40 K的实验数据点进行拟合，拟合结果列于表1。由表1可看出，不同激发功率下非辐射复合中心的热激活能不变，说明非辐射复合中心的热激活能不受激发功率的影响[11]。热激活能为0.02 eV的E2缺陷属于浅能级缺陷，对PL强度热淬灭效应的影响程度低，可忽略。热激活能为0.96 eV的E1缺陷是导致GaAs中间电池PL强度减小的主要因素，是影响电池性能的关键。由图3还可看出，激发功率明显影响PL强度的大小。

表1 电子辐射GaAs电池的数据拟合结果

为更好地确定电子辐射GaAs电池PL强度与激发功率的关系，图4示出PL强度与激发功率的对数关系，PL强度IPL与激发功率Pex的关系为[12]：

(2)

其中，Z为与载流子参与主要复合方式有关的参数。利用式(2)对实验数据进行拟合，温度低于40 K时，指数Z约为1，此时IPL与Pex近似呈正比关系。温度从150 K升至300 K时，Z从1.24升至1.96，IPL与Pex近似呈指数关系。值得注意的是，300 K时Z为1.96，在实验误差允许的范围内，Z可近似等于2，即IPL与Pex近似呈二次方关系。

图4 不同温度下电子辐射GaAs电池的PL强度随Pex变化的对数图

根据不同温度下PL强度与激发功率的函数关系，对变温光致发光热淬灭效应进一步分析。由于PL强度取决于光生载流子的辐射复合，激发功率一定时，强度IPL与电子-空穴的辐射复合率R(T)呈正比[13]：

IPL∝R(T)=B(T)NeNh

(3)

其中：Ne和Nh分别为电子和空穴浓度；B(T)为辐射复合系数，随温度的升高而降低[14]。

通常，激发功率Pex与电子浓度Ne、空穴浓度Nh之间有如下关系[15]：

(4)

其中：α为吸收系数；E0为激光光子能量；G、D、R分别为电子-空穴对的产生率、激子解离率和激子复合率；τe为电子的非辐射复合中心寿命。

3 结论

利用温度及激发功率变化光致发光对1.0 MeV电子辐射GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池GaAs中间电池的PL光谱进行测量分析，引入Arrhenius方程对实验数据拟合，得出影响GaAs中间电池性能且热激活能为0.96 eV的非辐射复合中心。通过分析PL强度随激发功率的变化发现，随温度升高，PL强度与激发功率由线性关系逐渐转变为二次方关系。采用辐射复合与非辐射复合的竞争机制解释了这种依赖关系，并证实了电子辐射GaAs中间电池发生热淬灭效应的缺陷是非辐射复合中心，是影响电池性能衰降的内在原因。