三结太阳电池高能电子损伤模拟及仿真分析

付 帅，郭宏亮，江濠鹏，祝颖欣，谢凯璇，王婉晴，吴宜勇

（哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150001）

三结太阳电池高能电子损伤模拟及仿真分析

付 帅，郭宏亮，江濠鹏，祝颖欣，谢凯璇，王婉晴，吴宜勇

（哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150001）

利用wxAMPS软件构建了高效GaInP/GaAs/Ge太阳电池的中电池模型，并对电池抗辐照性能进行模拟研究。模拟发现，当辐照缺陷密度较小时，缺陷对中电池的电性能影响较小；当缺陷密度较大时，电性能的下降与电子注量值的对数成正比。计算电池的I-V和量子效率谱（QE曲线）可知，电池电性能的下降直接对应于量子效率的下降、饱和暗电流的增强以及并联电阻的衰降。模拟结果与试验结果的对比显示，在各子电池均匀损伤的假定下，1MeV电子辐照的缺陷引入率约为0.81。

三结太阳电池；辐照损伤；缺陷密度；量子效率；数值模拟

0 引言

电源系统是卫星的重要分系统之一，目前大部分卫星在轨运行的主要能量来源为太阳电池阵。以GaAs为代表的 III-V族化合物由于具有较强的光电转化能力而被广泛应用于航天器太阳电池［1-2］。GaAs系列电池还可以通过调节成分的比例来调整带隙宽度［3］，外延生长多结电池，达到对光谱的最优匹配。目前广泛使用的多结电池包括GaInP/GaAs/Ge太阳电池等［4］。

太阳电池在轨运行期间受到恶劣空间环境的影响，其中地球辐射带的高能粒子会在电池内部造成位移损伤，形成载流子复合中心，使得电池宏观电性能出现不同程度的衰降［5-6］。因此，有必要对电池在高能粒子辐照下的退化进行研究。

国内外对三结电池的辐照损伤行为的研究方法主要分为2类：第1类是纯试验/实验方法［6-8］，即通过进行地面辐照试验或者在轨测试，分析电池电性能随辐照注量和服役时间的退化规律及机理，采用I-V曲线、量子效率谱（QE曲线）、深能级瞬态谱（deep level transient spectroscopy， DLTS）等进行表征。这类研究工作需要较长的时间和较高的成本，而且受到辐照和测试设备的限制，常常不能完整地描述出整个空间能谱下的辐照损伤。第2类是仿真与试验结合的方法［9-10］，其中仿真部分是指基于电子运动基本规律以及材料的各种性能参数，通过电流连续性方程，利用有限差分法或有限元方法计算宏观电池的电性能。这种方法将载流子的微观运动和电池的宏观电性能联系起来，可以从更本质的角度去研究辐照损伤机理，研究所需成本低、效率高，结合少量的试验数据即能预测各种环境能谱和多种太阳电池结构下的辐照退化行为。然而，建模过程的复杂性和材料参数的不确定性使得仿真模拟方法在国内发展滞后。

本文主要采用器件模拟仿真的方法，并借助少量试验数据研究太阳电池的退化机理和规律。应用一维太阳电池模拟软件wxAMPS［11］对GaAs太阳电池进行建模，计算电池在不同缺陷参数下的电性能。

1 试验对象与研究方法

1.1太阳电池及其初始性能测试

试验材料为天津电源研究所研制的高效GaInP/GaAs/Ge太阳电池，尺寸为2cm×4cm（见图1（a）），内部结构参数见图1（b）。利用IV-HSPV1设备测量得到电池在光照条件下的I-V曲线和P-V曲线（见图 2）：开路电压为2.8V，短路电流为0.13A，最大功率为0.3W。利用QE10X设备测量得到该太阳电池的QE曲线（见图3）：顶电池主要吸收波长小于680nm的太阳光，中电池主要吸收波长为680～880nm的红光和近红外光，底电池主要吸收波长大于880nm的红外光。

图1　高效GaInP/GaAs/Ge太阳电池Fig. 1 High efficiency GaInP/GaAs/Ge solar cell

图2　GaInP/GaAs/Ge太阳电池的初始I-V和P-V曲线Fig. 2 I-V and P-V curves of GaInP/GaAs/Ge solar cell

图3　GaInP/GaAs/Ge太阳电池的初始QE曲线Fig. 3 QE curves of GaInP/GaAs/Ge solar cell

1.2辐照试验

高能电子辐照试验在黑龙江省技术物理研究所高能电子加速器上进行，辐照电子的能量为1MeV。1MeV电子在工程上常被用来评价材料的抗辐照性能，取其通量为1×1011cm-2·s-1，注量分别为3× 1014、5×1014、8×1014和1×1015cm-2。

1.3仿真建模及参数设置

wxAMPS软件的仿真建模过程主要包括：确定边界条件；电池结构设置；材料缺陷设置。

1.3.1确定边界条件

利用wxAMPS软件求解电流微分方程组，需要给出的边界条件包括入射光参数（包括光强、波长等）、前/后表面反射率、边界电压、表面势垒和复合率等。计算I-V曲线时采用ASTM E-490标准AM0太阳光谱。GaInP/GaAs/Ge电池主要吸收波长范围为300～1700nm的太阳光，对应区间的AM0太阳光谱如图4所示。

图4　ASTM E-490标准AM0太阳光谱（300～1700nm）Fig. 4 AM0 solar spectra （300～1700nm） in ASTM E-490 standard

1.3.2电池结构和材料参数设置

根据文献［6-7］给出的试验结果，经过高能电子辐照后，三结太阳电池之中电池的量子效率退化最严重，顶电池和底电池的退化相对较小。故本文重点分析 GaInP/GaAs/Ge太阳电池的中电池退化行为。顶电池对短波太阳光的吸收会影响到达中电池的太阳光谱，故对中电池进行软件建模时需要在GaAs电池的前表面设置一层虚拟的滤波片用来模拟顶电池的吸收作用。电池建模的参数设置见表1，win层即为滤波层，win层之下为GaAs电池的发射区和基区。滤波层材料的参数通过拟合QE曲线获得。可通过调整win层材料的吸收率使得中电池短波段的QE曲线与试验结果尽可能相符合。仿真建模中所使用的材料参数主要来源于文献［12-13］，GaAs发射区和基区的材料参数如表1所示。

表1　电池结构和材料参数设置Table 1 Parameter settings of solar cells for simulation

由仿真模型计算得到无缺陷中电池的I-V曲线（图5）和QE曲线（图6红色曲线）：电池开路电压为1.1V，短路电流密度为9.64mA/cm2；仿真模拟出的中电池QE曲线与真实测量的中电池QE曲线（图6黑色曲线）相差无几，中电池主要吸收波长范围为650～890nm的太阳光。

图5　仿真计算所得的中电池的I-V特性曲线Fig. 5 Simulated I-V characteristic curve of middle GaAs sub cells

图6　仿真计算所得的中电池的QE曲线Fig. 6 Simulated QE curve of middle GaAs sub cells

1.3.3材料缺陷设置

辐照在电池内部产生缺陷，将每个高能粒子产生的缺陷个数定义为缺陷引入率。实际辐照后，材料中的缺陷较为复杂，主要体现在：1）内部缺陷多样，有GaAs空位、间隙原子、双空位等［14］，每一种缺陷状况都对应不同的电性能；2）缺陷能级在禁带中的位置和分布不同，有Gaussian型缺陷、带状缺陷等；3）随辐照注量的增加，先产生的缺陷会对后产生的缺陷造成影响，使缺陷与辐照注量之间可能偏离线性关系。为便于仿真研究，对于真实情况中的缺陷进行适度简化：1）假定1MeV电子只产生1种主要缺陷，其他缺陷对载流子的作用可以忽略不计；2）假定缺陷在禁带中只有单一能级；3）假定缺陷密度与辐照注量线性相关。根据以上假设，可以利用单陷阱SRH模型［12］进行进一步研究。

中电池材料缺陷参数的选取主要依据现有的GaAs电子辐照试验数据［14-16］：根据GaAs的DLTS谱，得到GaAs可能存在的所有缺陷形式；综合现有文献的DLTS，普遍认为在价带顶0.42eV存在着一个深能级缺陷，对电性能有较大影响［14-16］；根据DLTS测试数据可知，该缺陷对应的电子、空穴俘获截面注量为1×1013cm-2。仿真过程中同时在发射区和基区设置缺陷，研究缺陷密度对电池宏观电性能的影响。

2 辐照试验结果

不同注量1MeV电子辐照后，电池的I-V曲线如图7所示。将电池的开路电压、短路电流和最大功率进行归一化处理，得到电池电性能参数随辐照注量的变化情况，如图8所示。GaInP/GaAs/Ge太阳电池量子效率在辐照前/后的变化对比如图 9所示。对于GaInP/GaAs/Ge太阳电池而言，其开路电压等于各子电池开路电压之和，其短路电流受控于各子电池中的最小项。开路电压在辐照注量超过5×1014cm-2时发生明显的退化，且主要发生在中电池。对于短路电流，其退化可分为2个阶段：在辐照的初始阶段，顶电池的短路电流最小，三结电池短路电流的变化与顶电池短路电流的变化相对应；当注量较大时，由于中电池退化最快，中电池的短路电流成为最小的，三结电池短路电流的变化与中电池短路电流的变化相对应。从图8中可以看出，随电子辐照注量增大，开路电压、短路电流和最大功率均减小，且短路电流与辐照注量的对数呈近似线性的关系。在1×1015cm-2注量下，短路电流退化到初始值的91%左右，结合图9电池量子效率的退化情况可知，辐照后，中电池的量子效率退化最为明显（退化约 20%），而顶电池则无明显变化（退化约6%）。因此可以推测，在本文的试验注量区间（3×1014～1×1015cm-2），由1MeV电子造成的损伤主要集中在中电池区域，中电池成为电池抗辐照性能的控制项。后文将主要针对中电池进行损伤模拟分析。

图7　电子辐照注量对太阳电池I-V曲线的影响Fig. 7 Effect of electron irradiation fluence on I-V curve of GaInP/GaAs/Ge solar cells

图8　太阳电池电性能随电子辐照注量的变化Fig. 8 The electrical properties of GaInP/GaAs/Ge solar cells against the electron irradiation

图9　1MeV电子辐照前/后太阳电池的QE曲线对比Fig. 9 QE curve of GaInP/GaAs/Ge solar cells before and after 1MeV electron irradiation

3 中电池辐照损伤模拟分析

在无缺陷中电池模型上施加如 1.3.3节所述缺陷模拟辐照损伤，利用wxAMPS程序计算不同缺陷密度下的太阳电池电性能参数，得到如下的结果。

3.1缺陷密度对中电池开路电压的影响

中电池开路电压随缺陷密度的变化情况如图10所示。在其他条件不变的情况下，开路电压VOC随着缺陷密度的升高而降低：当缺陷密度较低（＜1×1013cm-3）时，缺陷对载流子运动的影响有限，开路电压下降不明显；当缺陷密度较高（≥1×1013cm-3）时，缺陷对载流子的散射、俘获作用明显，开路电压的下降速率明显增大。由图8可知，经过注量为1×1015cm-2的电子辐照，开路电压下降到初始值的 84.6%，最大功率下降到初始值的75.3%。由图 10可知，在缺陷密度为 1×1014cm-3和1×1015cm-3的条件下，中电池的开路电压分别下降到初始值的92.3%和83.8%。假设中电池的退化规律与三结总和电池的退化规律相同，则可相应计算出注量为 1×1015cm-2的电子辐照造成的缺陷密度大致为8.1×1014cm-3，即1MeV电子辐照的缺陷引入率为0.81。但实际情况下，由于中电池抗辐照性能最差，三结太阳电池的开路电压下降要比顶电池和中电池的更大，缺陷引入率应大于0.81。

图10　缺陷密度对中电池开路电压的影响Fig. 10 Effect of defect density on the open circuit voltage of the cell in the middle section

3.2缺陷密度对中电池短路电流的影响

短路电流（以短路电流密度 JSC表征）随缺陷密度的变化情况如图11所示：当缺陷密度较低（＜1×1014cm-3）时，短路电流略有下降但基本保持不变；而当缺陷密度较高（≥1×1014cm-3）时，短路电流急剧降低。对比图10和图11可知，短路电流的变化明显滞后于开路电压的变化，说明开路电压对电子辐照损伤更敏感。

此外，从图11可知，在缺陷密度为1×1014、1×1015和1×1016cm-3的条件下，中电池短路电流分别下降到初始值的 99.8%、97.6%和 82.5%。但由于三结太阳电池并非始终为中电池限流，所以无法根据中电池短路电流获得缺陷引入率，可根据QE曲线从短路电流角度近似得到缺陷引入率的数值。

图11　缺陷密度对中电池短路电流的影响Fig. 11 Effect of defect density on the short circuit current of the cell in the middle section

3.3缺陷密度对中电池量子效率的影响

量子效率对光谱的积分即为短路电流。量子效率随缺陷密度的变化情况如图12所示：在缺陷密度较低时基本保持不变，在缺陷密度＞1×1015cm-3后迅速下降，且下降集中表现在 650～850nm波段。在该波段内，缺陷密度对较长波长的光波吸收率的影响更为显著。这主要是由于低能光子穿透能力强，在基区深处产生电子空穴对，这些电子空穴对需要移动到结区才能发生分离，这样就需要少数载流子具有较长的扩散长度。而经过辐照后，少数载流子扩散长度衰减明显，因而对长波量子效率的影响更大。对比图12和辐照后中电池的QE曲线（参见图9），可以得到缺陷引入率在1～10之间。

图12　缺陷密度对中电池量子效率的影响Fig. 12 Effect of defect density on the quantum efficiency of the cell in the middle section

3.4缺陷密度对中电池暗电流的影响

为了进一步分析缺陷密度对太阳电池宏观电性能的影响，将计算得到的 I-V曲线按照式（1）［10］进行拟合，得到串联电阻RS、并联电阻RSH、二极管参数（反向饱和暗电流密度J0和理想因子n）等参数，其中最主要的是RSH和J0。

式中：A为电池面积，cm2；kB为玻耳兹曼常数；q为电子电荷量；U为外电路电压，V；I为外电路电流，mA；T为电池温度，K。

图13为J0以及（lnJSC-lnJ0）随缺陷密度的变化情况：暗电流密度随着缺陷密度升高而增大，在缺陷密度较低（＜1×1013cm-3）时，暗电流密度上升较缓慢；当缺陷密度较高（≥1×1013cm-3）时，暗电流密度迅速增加。这是因为缺陷密度增加使载流子复合电流增强，直接导致了暗电流密度的增加。

图13　缺陷密度对中电池暗电流的影响Fig. 13 Effect of defect density on the dark current of the cell in the middle section

当并联电阻不是很小且串联电阻不是很大时，开路电压和饱和暗电流密度间的关系近似满足式（2）。由式（2）可知，VOC和（lnJSC-lnJ0）近似成正比，因而图 13（b）和图 8（黑色曲线）具有某些相似性，例如其下降速度都出现从慢到快再到慢的过程。两图中的差异可以解释为理想因子n值的影响［14］。

3.5缺陷密度对中电池并联电阻的影响

缺陷密度对中电池并联电阻RSH的影响如图14所示：其变化规律与开路电压和短路电流的类似，均随缺陷密度D的升高而降低，缺陷密度高时尤为明显，且当D＞1×1013cm-3时，lnRSH与lnD近似呈线性关系。当并联电阻较小时，并联电阻会分流大量的光生电流，导致输出电流的下降；同时并联电阻还会引起热效应，增强载流子的散射，使得载流子扩散长度缩短，降低太阳电池的光电转换效率。

总之，在缺陷密度较低时，中电池的性能退化不明显；当缺陷密度高于某一阈值时，电池电性能会出现急剧衰退，进而影响电池的正常工作与使用。

图14　缺陷密度对中电池并联电阻的影响Fig. 14 Effect of defect density on the parallel resistance of the cell in the middle section

4 结束语

本文对高效 GaInP/GaAs/Ge太阳电池的电子辐照退化性能进行了测试，结果表明其辐照损伤主要发生在中电池。在经过注量为 1×1015cm-2的1MeV电子辐照后，中电池的量子效率出现了明显的退化，而顶电池和底电池的变化较小。对真实的中电池进行简化建模后，利用wxAMPS程序模拟分析辐照缺陷对中电池电性能的影响发现：当缺陷密度较小时，开路电压变化不明显；当缺陷密度较大时，开路电压显著下降。若假设各子电池开路电压等比例下降，则推测1MeV电子的缺陷引入率为0.81。短路电流的退化滞后于开路电压的退化，利用QE曲线近似得到的缺陷引入率约为1～10。当缺陷密度＜1×1015cm-3时，量子效率变化很小，当缺陷密度≥1×1015cm-3时，量子效率明显衰降。通过曲线拟合得到反向饱和暗电流密度和并联电阻随缺陷密度的变化情况发现：当缺陷密度≥1×1013cm-3时，随着缺陷增多，饱和暗电流密度快速增加，并联电阻下降。

关于缺陷对顶电池、底电池和总的三结电池宏观电性能的影响目前仍在研究中。

（References）

［1］ 邹永刚， 李林， 刘国军， 等. GaAs太阳能电池的研究进展［J］. 长春理工大学学报（自然科学版）， 2010， 33（1）:44-47 ZOU Y G， LI L， LIU G J， et al. Research progress of GaAs solar cell［J］. Journal of Changchun University of Science & Technology， 2010， 33（1）:44-47

［2］ 郭爱萍， 孙强. 基于 GaAs半导体太阳电池技术发展概况［J］. 电源技术， 2008， 31（9）:757-758 GUO A P， SUN Q. Development status of solar cell technology based on GaAs semi-conductor［J］. Chinese Journal of Power Sources， 2008， 31（9）:757-758

［3］ 彭华， 周之斌， 崔容强， 等. 渐变带隙结构在 III-V族太阳电池中的应用［J］. 半导体学报， 2005， 26（5）:958-964 PENG H， ZHOU Z B， CUI R Q， et al. Research on III-V bandgap graded solar cells［J］. Chinese Journal of Semiconductors， 2005， 26（5）:958-964

［4］ 李友杰. 高效三结GaInP2/GaAs/Ge太阳电池研究［D］.上海:上海交通大学， 2008:2-3

［5］ GAO X， YANG S S， FENG Z Z. Radiation effects of space solar cells［J］. High-Efficiency Solar Cells， 2014，190:597-622

［6］ 吴宜勇， 岳龙， 胡建民， 等. 等效位移损伤剂量法预测GaInP2/GaAs/Ge三结电池在轨性能退化规律［J］. 航天器环境工程， 2011， 28（4）:329-336 WU Y Y， YUE L， HU J M， et al. Predictions of degradation of electrical properties of GaInP2/GaAs/Ge solar cell using equivalent displacement-damage-dose technique［J］. Spacecraft Environment Engineering， 2011，28（4）:329-336

［7］ 吴宜勇， 岳龙， 胡建民， 等. 位移损伤剂量法评估空间GaAs/Ge太阳电池辐照损伤过程［J］. 物理学报， 2011，60（9）:723-732 WU Y Y， YUE L， HU J M， et al. Radiation damage of space GaAs/Ge solar cells evaluated by displacement damage dose［J］. Acta Physica Sinica， 2011， 60（9）:723-732

［8］ MESSENGER S R， SUMMERS G P， BURKE E A， et al. Modeling solar cell degradation in space:a comparison of the NRL displacement damage dose and the JPL equivalent fluence approaches［J］. Progress in Photovoltaics:Research and Applications， 2001， 9（2）:103-121

［9］ TUROWSKI M， BALD T， RAMAN A， et al. Simulating the radiation response of GaAs solar cells using a defect-based TCAD model［J］. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2013， 60（4）:2477-2484

［10］ SEGEV G， MITTELMAN G， KRIBUS A. Equivalent circuit models for triple-junction concentrator solar cells［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2012，98（1）:57-65

［11］ LIU Y， SUN Y， ROCKETT A. A new simulation software of solar cells-wxAMPS［J］. Solar Energy Materials & Solar Cells， 2012， 98（1）:124-128

［12］ 刘恩科. 半导体物理学［M］. 北京:国防工业出版社，2010:429-431

［13］ SATO S I， MIYAMOTO H， IMAIZUMI M， et al. Degradation modeling of triple-junction solar cells irradiated with various-energy protons［J］. Solar EnergyMaterials & Solar Cells， 2009， 93（6-7）:768-773

［14］ CLAEYS C， SIMOEN E. Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices［J］. Springer Series in Materials Science， 2002， 57（2）:112-119

［15］ ZHANG X， HU J， WU Y， et al. Direct observation of defects in triple-junction solar cell by optical deep-level transient spectroscopy［J］. Journal of Physics D:Applied Physics， 2009， 42（14）:145401-145405

［16］ 郑勇， 肖鹏飞， 易天成， 等. 1MeV电子辐照GaAs/Ge太阳电池变温光致发光研究［J］. 北京师范大学学报（自然科学版）， 2015（6）:568-570 ZHENG Y， XIAO P F， YI T C， et al. Temperature dependent photoluminescence of the GaAs/Ge space solar cell after irradiation by 1MeV electrons［J］. Journal of Beijing Normal University （Natural Science），2015（6） :568-570

（编辑：张艳艳）

Simulation of high energy electron damage of triple junction solar cell

FU Shuai， GUO Hongliang， JIANG Haopeng， ZHU Yingxin， XIE Kaixuan， WANG Wanqing， WU Yiyong
（School of Materials Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

In this paper， wxAMPS software is used to build a high-efficiency GaInP/GaAs/Ge solar cell model to study the cell’s performance under the electron irradiation. The model is based on the QE data. High-energy particles cause the displacement damage in the solar cells， which is simulated by changing the material parameters. By simulations， the degradation behavior of the solar cells can be determined. The electrical properties of the battery change little under low defect density. However， when the defect density is relatively large， the decrease of the electrical parameters is observed to be proportional to the logarithm of the fluence of 1MeV electrons. The I-V and QE curves are calculated by wxAMPS. The degradation of the electrical properties， the decrease of the QE， the growth of the reverse saturation current and the increase of the shunt resistance are closely related to each other. Combined with the simulation and the experiment results， the introduced rate of defects for the 1MeV electrons is shown to be about 0.81 when the degradation behavior of each sub cell is supposed to be the same.

triple junction solar cell； irradiation damage； defect density； quantum efficiency； numerical simulation

TM914.4

A

1673-1379（2016）04-0392-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.010

2015-12-18；

2016-06-12

国家自然科学基金面上项目“倒置生长赝形高效四结太阳电池的辐照损伤行为与机理研究”（批准号：11475049）；哈尔滨工业大学创新创业国家级项目“新型太阳能电池空间辐照损伤与仿真分析”（编号：2014F19000）

付 帅（1995—），男，主要研究方向为纳米材料及空间电子辐照效应；E-mail:fushuai2262@163.com。郭宏亮（1990—），男，博士研究生，主要研究方向为空间Ⅲ-Ⅴ电池设计及抗辐照性能研究。通信作者：吴宜勇（1967—），男，工学博士，教授，博士生导师，主要从事材料空间环境效应和液相原子层沉积等研究；E-mail:wuyiyong@hit.edu.cn。