连续激光辐照对三结砷化镓电池散射光谱的特性影响

郭 威, 常 浩, 徐 灿, 周伟静, 于程浩, 姬 刚

1. 航天工程大学研究生院, 北京 101416 2. 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416 3. 航天工程大学航天指挥学院, 北京 101416

引 言

太阳能电池作为一种高效的光电转化器, 被广泛地应用于光伏发电系统中, 其一旦损伤会导致系统工作状态出现故障。 激光作为一种高亮度光源, 在辐照太阳能电池时会对其输出性能造成影响, 当激光能量密度足够高时, 极易导致电池损伤。 由于通常的雷达、 光学成像等手段很难实现损伤特性的判别。 近年来, 光谱探测技术被广泛应用于各类目标识别领域。 通过探测目标的光谱, 可以提供波长维度的可分辨信息, 识别目标特征变化[1]。 在连续激光辐照太阳能电池时, 电池温度的升高通常会导致其表面形貌甚至结构发生变化[2-3], 并对太阳能电池的表面散射光谱特性产生影响, 从而可采用光谱探测方法判别电池损伤情况。

由于电池的散射光谱是其光学特性的本质体现, 能够反映目标的材质属性, 国外较早开始了目标散射光谱特性的研究, 并根据光谱特性对目标材质进行判断。 在NASA的支持下, 美国的Jorgenson在约翰逊航天中心对三百多种常用空间目标材质的散射光谱特性进行了测量, 并建立了光谱数据库。 密歇根大学的Patrick等通过望远镜对空间目标的散射特性进行了探测, 结合实验室中光谱测量的结果, 对目标材质进行了辨识。 加拿大的Bedard等以Can X-1工程试验小卫星为研究对象, 对目标上搭载电池的光谱双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)进行计算, 对散射光谱特性曲线的特征进行了说明; 并对空间目标的BRDF进行了分析, 采用BRDF对特定材料进行表征, 研究了测量模型的变化对散射光谱测量结果的影响; 同时, 在实验室光谱测量的基础上, Bedard等通过加拿大Mont-Megantic天文台的望远镜对Galaxy-11卫星可见光谱段和近红外谱段的光谱特性进行分析, 并对其材质进行了识别[4]。 国内, 如长春理工大学、 光电研究院等机构同样对此展开了研究[5], 其中, 吴强等对脉冲激光辐照后, 单晶硅和多晶硅太阳能电池BRDF的变化进行了分析。 航天工程大学的李鹏等通过目标散射光谱对氧化铝、 环氧漆和砷化镓等8种常用材质进行了识别, 基于薄膜干涉特性对三结砷化镓电池的散射特性进行了仿真研究, 并分析了电池内部结构对散射光谱的影响[6]。 目前而言, 尽管国内外学者对太阳能电池样片的散射光谱特性展开了大量研究, 但对于三结砷化镓太阳能电池激光损伤后的散射光谱特性变化研究较少。 本文以连续激光辐照后的三结砷化镓电池为研究对象, 对电池损伤程度导致散射光谱特性改变的情况进行了判断; 研究了激光辐照对电池光谱BRDF的影响; 结合基于薄膜干涉理论建立的电池散射光谱模型, 对电池可见光谱段的吸收特性及近红外谱段的干涉特性变化进行分析, 为太阳能电池损伤程度的判别提供了参考思路。

1 实验部分

1.1 仪器

电池表面散射光谱实验测量装置如图1所示, 主要由北京环境特性研究所提供的目标散射特性测量系统以及上海复享光学股份有限公司的FX 2000型和NIR 17型光纤光谱仪组成。 由于三结砷化镓电池的表面呈现出明显的镜反射特性, 为了进行准确的散射光谱特性测量, 需要高精度的控制系统。 在实验中, 通过目标散射特性测量系统控制三维平台运动系统, 并为实验提供稳定卤素灯光源和暗室环境; 同时采用光谱分辨率为0.73 nm、 响应谱段为360～1 100 nm的FX 2000型光谱仪和光谱分辨率为3.1 nm、 响应谱段为900～1 700 nm的NIR 17型光谱仪对目标散射光谱信息进行测量。 考虑到测量系统内置光源的光谱范围, 以及电池表面散射光谱的主要特征谱段, 本次实验选取的谱段范围为400～1 200 nm。

图1 目标散射光谱测量实验系统(a): 三维平台运动系统; (b): 暗室与操作系统Fig.1 Target scattering spectrum measurement experimental system(a): 3D platform motion system;(b): Darkroom and operating system

1.2 实验原理

通过图2所示的测量模型对电池表面的散射光谱进行测量, 并计算了电池BRDF。 其中,λ为波长,θ和φ分别表示天顶角和方位角, 下标i和r分别表示入射光和反射光,dωs为探测器的探测角,dEi与dLr分别表示单位面积上入射光的辐照度和反射光的辐亮度。

图2 电池散射光谱测量模型Fig.2 Measurement model of battery scattering spectrum

此时, 模型中的电池BRDF如式(1)所示。

(1)

由于太阳能电池表面具有强镜反射特性, 在测量角度偏移2°时, 测量结果便存在明显差异。 因此, 出于简化模型的角度考虑, 令测量方向维持在同一平面, 仅考虑天顶角θ变化的情况, 使入射光源角度θi和电池表面反射光角度θr始终相等。 此时将式(1)进行变形后, 计算过程如下所示。

式(1)中反射光的辐亮度可表示为

(2)

式(2)中,θr为反射角, ΔAr为入射光辐照面积, Δωs为探测器探测角, ΔΦr(Ei,θi,θr,λ)为反射光的光通量。 而式(1)中入射光的辐照度dEi(θi,λ)可化为

(3)

式(3)中, ΔΦi(θi,λ)为入射光的光通量。 由式(2)和式(3)可知, 式(1)可化为

(4)

由于入射光通量ΔΦi(θi,λ)和反射光通量ΔΦr(Ei,θi,θr,λ)是通过将测量光谱原始灰度DN除以对应的曝光时间texp得到的。 此时, 式(4)可化为

(5)

式(5)中,DNmaterial和DNcal为光谱仪测量得到电池和定标体的光谱原始灰度(digital number, DN),texp(material)和texp(cal)为其对应的积分时间。 实验中采用了聚四氟乙烯(F4)压制的白板作为定标体, 其在350～1 800 nm谱段内可以反射99%的入射光, 通常默认为1, 可应用于激光辐照前后电池散射光谱特性的计算。 实验中, 由于入射光源方向对实验测量结果存在一定影响, 实验中选择了角度θi=θr=30°时的测量模型, 对辐照前后三结砷化镓太阳能电池的散射光谱进行测量分析。

2 结果与讨论

2.1 激光功率对电池表面损伤形貌的影响

实验中使用了尺寸为10 mm×10 mm, 厚度约为175 μm, 转换效率高达28.3%的三结GaInP/GaAs/Ge太阳电池。 该电池采用双层减反射膜(double anti-reflection coating, DAR)TiO2/Al2O3, 以Ge为衬底, 由三个N/P结构的子电池通过隧穿结串联形成, 其结构如图3所示。 原始电池在相机和光学显微镜中得到的表面形貌如图4所示。 其中, 图4(a)为电池的宏观形貌, 图4(b)为电池的微观形貌。

图3 三结砷化镓电池结构模型Fig.3 Structure model of trijunction gallium arsenide battery

实验采用控制变量的方法, 固定辐照时间为20 s、 辐照光斑直径约为5 mm, 通过改变连续激光的功率密度, 进行三结砷化镓太阳能电池辐照实验后, 得到如图5所示的电池表面形貌。

图5 激光辐照电池的宏观表面形貌变化(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2Fig.5 Macroscopic surface morphology change of laser irradiated battery(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2

如图5所示, 在辐照激光功率密度为7.6 W·cm-2时, 电池表面基本没有发生变化, 仅在辐照区域中心位置附近存在分布不均匀的白色斑点, 此时电池背面已经出现了烧蚀坑; 而在辐照激光功率密度为9.2和10.9 W·cm-2时, 电池表面在激光的作用下出现了损伤, 辐照位置出现了明显的白色圆形区域, 表面形貌开始出现变化; 随着激光功率密度的增大, 损伤效果越发明显, 电池损伤区域进一步扩大, 在辐照激光功率密度为15.8 W·cm-2时电池已经接近烧穿。 同时, 可以发现在辐照激光功率密度为14.2和15.8 W·cm-2时, 电池表面辐照区域边缘位置存在彩色的区域。

为了进一步对电池表面形貌的变化进行分析, 通过光学显微镜对激光辐照区域边缘位置进行拍摄, 得到如图6所示的微观表面损伤形貌。 由于光学显微镜视场较小, 图中仅展示了辐照区域边缘位置处的形貌, 其中两栅线间距离约为1 mm。

图6 激光辐照电池的微观表面形貌变化(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2Fig.6 Changes of the surface morphology of the laser irradiated battery(a): 7.6 W·cm-2; (b): 9.2 W·cm-2; (c): 10.9 W·cm-2; (d): 12.5 W·cm-2; (e): 14.2 W·cm-2; (f): 15.8 W·cm-2

由图6可知, 当激光功率密度为10.9 W·cm-2时, 电池表面出现了明显的损伤, 存在近似为圆形的烧蚀坑, 辐照区域的电池结构被彻底损坏; 而在激光功率密度为14.2和15.8 W·cm-2时, 图6(e、 f)中可以看到烧蚀坑附近存在清晰的彩色圆环。 这主要是由于在激光长时间辐照的情况下, 辐照区域附近的材料熔融氧化, 中电池GaAs发生热解, 导致As元素析出; 而底电池Ge层在激光作用下熔融后析出表面, 生成GeO2等产物, 使得电池表面出现图5和图6中的“彩虹环”[2, 7]。 实验中可以发现, 随着激光功率密度的增加, 电池表面的损伤越发明显, 辐照区域的烧蚀坑不断扩大。 在激光对电池进行辐照时, 电池内部的光电转换迅速达到饱和状态, 辐照区域绝大部分激光能量转换为热能; 随着热能在电池内部的积累, 逐渐向电池的未辐照区域扩散, 引起电池总体温度的升高, 当累积激光能量达到一定程度后, 将会导致电池损伤。

2.2 不同激光功率密度辐照下电池散射光谱特性的影响

实验中通过选定的30°测量几何模型, 对不同功率密度连续激光辐照后, 三结砷化镓电池的散射光谱进行测量, 分析特征较为明显的可见光谱段(400～750 nm)和近红外谱段(900～1 200 nm)内BRDF曲线, 结果如图7所示。

图7 辐照激光功率密度变化时电池的BRDF(a): 7.6 W·cm-2 (Visible); (b): 9.2 W·cm-2 (Visible); (c): 10.9 W·cm-2 (Visible); (d): 7.6 W·cm-2 (NIR); (e): 9.2 W·cm-2 (NIR); (f): 10.9 W·cm-2 (NIR); (g): 12.5 W·cm-2 (Visible); (h): 14.2 W·cm-2 (Visible); (i): 15.8 W·cm-2 (Visible); (j): 12.5 W·cm-2 (NIR); (k): 14.2 W·cm-2 (NIR); (l): 15.8 W·cm-2 (NIR)Fig.7 BRDF of the battery when the power density of the irradiated laser changes(a): 7.6 W·cm-2 (Visible); (b): 9.2 W·cm-2 (Visible); (c): 10.9 W·cm-2 (Visible); (d): 7.6 W·cm-2 (NIR); (e): 9.2 W·cm-2 (NIR); (f): 10.9 W·cm-2 (NIR); (g): 12.5 W·cm-2 (Visible); (h): 14.2 W·cm-2 (Visible); (i): 15.8 W·cm-2 (Visible); (j): 12.5 W·cm-2 (NIR); (k): 14.2 W·cm-2 (NIR); (l): 15.8 W·cm-2 (NIR)

当辐照激光功率密度为7.6 W·cm-2时, 电池可见光谱段和近红外谱段的散射光谱如图7(a)和(d)所示, 图中黑色曲线为原始电池光谱BRDF曲线, 蓝色曲线为辐照后电池光谱BRDF曲线, 圆环表示600～750 nm谱段内的吸收峰。 相较于原始电池, 辐照后电池BRDF曲线在可见光谱段的幅值大幅度下降, 且吸收特性发生变化, 表现为吸收峰数目减少至2个, 吸收峰的位置发生偏移, 偏移量约为20 nm, 且吸收峰逐渐减弱; 近红外谱段内的类周期振荡曲线频率基本一致, 但幅值发生变化。

当辐照激光功率密度为9.2 W·cm-2时, 电池散射光谱BRDF曲线如图7(b、 e)所示, 与图7(a)相比, 可见光谱段BRDF曲线的幅值增加, 但仍小于原始电池BRDF曲线的幅值, 可见光谱段内的吸收峰衰减, 但吸收峰的数目和位置基本没有发生变化; 而近红外谱段BRDF曲线的幅值逐渐降低。

当辐照激光功率密度为10.9和12.5 W·cm-2时, 电池散射光谱BRDF如图7(c、 f、 g、 j)所示, 可见光谱段BRDF曲线的幅值继续增加, 吸收特性逐渐消失; 而近红外谱段BRDF曲线的幅值继续下降, 此时电池表面出现了圆形烧蚀坑。

在激光功率密度继续增大的情况下, 电池损伤程度进一步加剧, 当辐照激光功率密度为14.2 W·cm-2时, 图7(h、 k)中可见光谱段的吸收峰消失; 而近红外谱段曲线的幅值继续下降, 此时近红外谱段的干涉特性主要是由辐照区域附近的未损伤电池产生的; 在辐照激光功率密度为15.8 W·cm-2时, 电池基本上被烧穿, 辐照损伤区域进一步扩大, 表面出现明显的“彩虹环”, 此时电池光谱BRDF特性如图7(i、 l)所示, 可见光谱段BRDF曲线的幅值继续上升, 在600～900 nm谱段已经超过了原始电池; 而近红外谱段BRDF曲线的幅值继续下降, 由于电池表面存在GeO2等烧蚀产物, 导致曲线振荡特性发生变化。

在实验研究的基础上, 为了分析三结砷化镓电池各层结构损伤对电池光谱散射特性的影响, 基于薄膜光学理论, 建立多层膜系的散射模型。 对激光损伤后, 各层子电池在不同厚度时的散射光谱特性进行分析, 并计算其相应光谱BRDF。

在三结砷化镓太阳能电池的各层子电池中, 减反射膜DAR层和底电池Ge层的主要功能是吸收太阳光, 对电池散射光谱特性基本无影响[6]。 此时在仅含单层子电池的情况下, 激光损伤后不同厚度的GaInP层和GaAs层子电池散射光谱特性如图8和图9所示。

图8 GaInP层损伤对散射特性的影响(a): 原始GaInP层; (b): GaInP层损伤0.3 μm; (c): GaInP损伤0.6 μmFig.8 Damage effect on scattering characteristics of GaInP layer(a): The original GaInP layer; (b): Damage layer with a thickness of 0.3 μm; (c): Damage layer with a thickness of 0.6 μm

图9 GaAs层损伤对散射特性的影响(a): 原始GaAs层; (b): GaAs层损伤1.2 μm; (c): GaAs层损伤2.4 μm; (d): GaAs层损伤3.6 μmFig.9 Damage effect on scattering characteristics of GaAs layer(a): The original GaAs layer; (b): Damage layer with a thickness of 1.2 μm; (c): Damage layer with a thickness of 2.4 μm; (d): Damage layer with a thickness of 3.6 μm

从仿真结果可以发现, 通过减小顶电池的厚度, 对原始电池、 部分损伤后电池以及基本完全损伤时电池分析, 发现电池散射光谱BRDF曲线的整体幅值变化较小, 可见光谱段内的吸收峰的数目和位置发生变化, 近红外谱段曲线的频率产生一定变化, 且GaInP层对近红外谱段内干涉特性曲线的振幅、 频率起到调制作用; 同时, 中电池GaAs层的厚度变化对BRDF曲线的整体幅值影响较小, 主要是影响近红外谱段的干涉特性, 但在损伤一定厚度后将会导致可见光谱段表现出干涉特性。 当激光辐照导致电池损伤时, GaInP层厚度的减小, 主要影响可见光谱段的吸收特性; GaAs层厚度的减小, 主要影响近红外谱段的干涉特性。 在激光损伤下, GaInP层和GaAs层厚度的变化是导致电池散射光谱曲线特征变化的主要因素。

实验中采用808 nm连续激光对电池进行辐照时, 激光的光子能量未达到顶电池的禁带宽度, 此时激光可以穿过顶电池, 对GaAs层进行辐照, 使得该层温度升高。 由于GaAs层厚度较薄, 约为3.7 μm, 而在三结砷化镓电池的各层子电池中, 顶电池GaInP层和底电池Ge层的特殊结构对于热扩散破坏效应的变化较为敏感[3], 在连续激光作用下, 辐照区域温度的升高容易导致GaInP层和Ge层出现损伤, 对电池的散射光谱特性造成影响。 从模型仿真结果可知, 顶电池GaInP层主要影响可见光谱段的吸收特性, 中电池GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性。

与实验对比可以发现, 当激光功率密度为7.6 W·cm-2时, 可见光谱段内吸收峰的数目和位置, 以及近红外谱段内类周期振荡曲线的幅值, 相较于原始电池发生变化, 此情况下辐照区域的GaInP层出现了一定程度的损伤, 但GaAs层未出现明显变化, 该现象与图5(a)和图6(a)所示的电池表面形貌相吻合; 在14.2 W·cm-2功率密度激光辐照后, 可见光谱段内的吸收峰消失, 近红外谱段内曲线的幅值衰减, 而频率基本不变, 此时辐照区域GaInP层已基本完全损伤。

实验和仿真模型表明了随着激光功率密度的增加, 电池损伤程度的加剧, 可见光谱段内的吸收峰数目逐渐减少, 甚至消失, 而吸收峰的位置会产生偏移; 近红外谱段内曲线幅值逐渐递减, 其频率会发生改变。

3 结 论

为了对激光辐照后的电池损伤程度进行分析, 本文利用薄膜光学理论, 针对顶电池GaInP层和中电池GaAs层在不同损伤程度下的特性进行研究; 通过目标散射光谱测量实验系统, 对损伤前后电池的散射光谱进行了测量。 结合仿真模型和实验研究, 可以发现: 顶电池GaInP层的存在使得光谱曲线在可见光谱段产生吸收峰, 并对近红外谱段内干涉特性曲线的振幅、 频率起到调制作用, 当该层损伤程度加剧, 厚度减小时, 吸收峰数目不断减少, 且吸收峰的位置发生偏移; 中电池GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性, 在损伤达到一定程度后, 会使得可见光谱段内出现一定干涉特性, 当该层逐渐损伤时, 可见光谱段曲线出现干涉特性, 而近红外谱段的曲线幅值和频率逐渐发生变化。