GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV质子位移辐照损伤效应实验研究

王祖军,尹利元,王兴鸿,张 琦,唐 宁,郭晓强,盛江坤,缑石龙,晏石兴,李传洲

(1.强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室,西北核技术研究所,陕西 西安 710024;2.兰州大学 核科学与技术学院,甘肃 兰州 730000;3.西安高科技研究所,陕西 西安 710025;4.中国电子科技集团公司第十八研究所,天津 300384;5.湘潭大学 材料科学与工程学院,湖南 湘潭 411105)

太阳电池能为在轨运行的航天器提供长期、稳定的电源,是航天器的重要部件。GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池由GaInP顶电池、GaAs中电池、Ge底电池及两个隧穿结共同组成。与传统的Si和GaAs单结太阳电池相比,其具有结构稳定、可靠性高、寿命长、小型轻质、光电转换效率高、光吸收系数高等优点,目前已成为空间电源系统的核心元器件,广泛应用于航天器的电源系统[1]。基于工艺成熟度、性价比、可靠性等诸多因素综合考量,2002年后国内外航天器空间电源系统的核心元器件主要采用GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池[2-4]。

鉴于太阳电池长期在轨运行会遭受空间辐射损伤的影响,空间环境中的质子、电子辐照损伤会导致太阳电池性能参数衰降,严重时甚至导致航天器供电系统功能失效。因此,GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的辐照损伤效应问题备受关注。近年来,国内外不同研究团队对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池开展了大量的辐照实验,包括电子[5-7]、质子[8-10]、α粒子[11]、重离子[12]、γ射线[13]、中子[1,13]等辐照,得到了辐射粒子或射线辐照诱发GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐射敏感参数衰降的实验规律,为了解和掌握GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池对辐照损伤敏感度和抗辐射能力评估提供了实验数据支撑。

质子辐照三结太阳电池时对其造成的非电离能损远大于电子[14],同时重离子等其他空间粒子在空间环境中通量太低,因此质子对电池的辐照损伤成为研究热点。国内外多个研究团队开展了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的质子辐照损伤效应研究[5,8-10]。2002年,Sharps等[5]开展了商用GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的50、100、200、400 keV,1、2、10 MeV质子辐照损伤效应实验,结果表明,该三结太阳电池的开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、最大输出功率(Pm)的相对损伤因子(RDC)在质子能量为200 keV时最大,当质子能量大于200 keV时,能量越高,RDC越小。2007年,王荣等[8]开展了国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池0.28、0.62、2.80 MeV质子辐照损伤效应实验,辐照注量分别为1×1010、1×1011、1×1012、1×1013cm-2。在AM0和25 ℃条件下的测试结果表明:相同能量的质子辐照时,该电池的Voc、Isc、Pm衰降程度均随辐照注量的增大而增大;相同注量的质子辐照时,0.28 MeV质子引起电池的Voc、Isc、Pm的衰降幅度均最大,2.80 MeV质子引起电池的Voc、Isc、Pm的衰降幅度最小;且随着辐照注量的增加,Isc的衰降幅度大于Voc;GaAs中电池的光谱响应衰降程度在3个子电池中最严重。2013年,Maximenko等[9]研究了GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池在3 MeV质子辐照下的损伤效应,辐照注量范围为1×1011～1.0×1015cm-2。在AM0和25 ℃条件下进行的该电池的伏安特性曲线测试结果表明:该三结电池的Voc、Isc、Pm衰降幅度均随辐照注量的增大而增大。2021年,张延清等[10]开展了柔性倒置赝型GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的1、3、5 MeV质子辐照实验研究,最大辐照注量为5×1013cm-2,在AM0和25 ℃条件下的测试结果表明,在相同的辐照注量下,在该辐照实验的质子能量范围内,质子能量越低,辐射敏感参数衰降越严重。

然而,尽管国内外均开展了大量的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池质子辐照实验研究,鉴于早期高能质子源较少,质子辐照实验的能量段主要集中在keV量级及1～10 MeV范围左右,鲜有关于GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池高能质子辐照实验研究的报道。因此,本文主要聚焦GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV高能质子位移辐照损伤,为开展不同能量质子辐照诱发GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池性能退化提供高能质子辐照实验数据。

本文主要以国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,通过开展100 MeV质子辐照实验,深入分析质子位移损伤诱发Voc、Isc、Pm、光电转换效率(Eff)等辐射敏感参数的退化规律和GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的辐照损伤机理。

1 辐照实验

本文辐照所用样品为国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池,分别采用GaInP、GaAs和Ge作为顶电池、中电池和底电池的材料。典型GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构模型示意图如图1所示,三结太阳电池中各子电池主要由窗口层(Window)、发射区(Emitter)、基区(Base)和背表面场(BSF)4部分组成。各子电池之间通过具有高掺杂浓度的不同PN型的隧穿结连接,其作用主要是增加相邻子电池之间电子-空穴对的透过概率,降低子电池之间反偏的影响。图2为本文所用GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池实物照片。

图1 典型GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构模型示意图Fig.1 Structure of typical GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells

图2 国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池实物照片Fig.2 Physical picture of domestic GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的质子辐照实验在西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)上进行,辐照质子束流能量为100 MeV,辐照注量率为2×108cm-2·s-1,辐照注量分别为1×1011、5×1011、1×1012、2×1012cm-2。辐照期间器件处于不加偏置状态,不加偏置电压的样品所有引脚悬空。在AM0和25 ℃条件下,对质子辐照前后均开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐射敏感参数测试,测试方法参考《航天用太阳电池电性能测试方法》(GB/T 6494—2017)中的测试要求。图3为GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV质子辐照实验现场。

图3 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV质子辐照实验现场Fig.3 Experimental setup for GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells irradiated by 100 MeV protons

2 结果与分析

为分析不同注量下100 MeV质子对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池电学参数造成的损伤,本文应用Geant4软件对100 MeV质子在GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中的输运情况进行模拟。通过对输运过程中粒子与材料相互作用过程的判断,提取100 MeV质子产生的初级反冲原子(PKA)信息,通过跟踪PKA的位置信息得到质子在太阳电池内部产生缺陷的位置[15]。100 MeV质子在GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的各子电池中产生的PKA随深度的分布如图4所示。从图4可见,质子在3个子电池内部的PKA产额随入射深度近似呈均匀分布,即100 MeV质子对各子电池均造成较均匀的位移损伤。

图4 100 MeV质子在3个子电池中产生的PKA随入射深度的分布Fig.4 Distribution of PKA in depth of three sub-cells caused by 100 MeV protons

2.1 开路电压

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池没有负载保持开路时产生的最大可能电压定义为Voc,此时电流近似为0。以三结太阳电池在质子辐照后性能参数与辐照前的比值进行归一化。归一化Voc随辐照注量的变化如图5a所示。由图5a可看出,Voc随辐照注量的增大而减小。随着辐照注量的增加,其退化幅度逐渐变大,辐照注量达到2×1012cm-2时,Voc的退化幅度达到8.98%。

图5 归一化Voc随辐照注量的变化Fig.5 Normalized Voc versus proton fluence

在忽略有效力场的情况下,电池的Voc[16-18]可表示为:

(1)

式中:kB为玻尔兹曼常数;q为电子电量;T为绝对温度;ni为本征载流子浓度;nn为各子电池N型发射区的电子浓度;np为各子电池P型基区的空穴浓度。

质子辐照三结太阳电池后,由于质子在电池内部输运时会撞击材料的晶格原子,使其离开正常的晶格位置而成为缺陷。缺陷诱发产生的载流子去除效应使子电池N型发射区和子电池P型基区的多数载流子浓度降低。电池中多数载流子浓度nn和np随辐照注量的变化如式(2)[18]所示:

(2)

其中:n0和nn,p分别为辐照前后各子电池的多数载流子浓度;Φ为辐照注量,cm-2;Rc为多数载流子去除率,其与材料中的多数载流子浓度近似呈正比。

由式(2)可知,随着辐照注量的增加,各子电池内部的多数载流子浓度降低,从而使子电池的Voc随辐照注量的增加而降低。GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的Voc近似等于每个子电池的Voc之和,因此,随着入射辐照注量的增加,三结太阳电池的Voc逐渐降低。

三结太阳电池Voc随辐照注量的退化关系[19]可表示为:

(3)

其中:Voc0和Voc分别为辐照前后三结太阳电池的开路电压;C为辐照注量对数所对应的开路电压的衰减参数;Φ0为GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池归一化开路电压退化程度随辐照注量对数值呈正比时的临界注量值,当辐照注量高于此临界注量值时,开路电压衰减程度与辐照注量近似呈线性关系。

应用式(3)将不同注量下电池的归一化Voc进行拟合即可得到参数C和Φ0的值,分别为0.052和3.96×1010,因此,式(3)可写为:

(4)

由式(4)可知,当辐照注量低于3.96×1010cm-2时,三结太阳电池的归一化开路电压衰减幅度与辐照注量呈对数关系,辐照注量高于3.96×1010cm-2时,开路电压衰减幅度与辐照注量呈正比。应用式(4)在一定范围内可预估100 MeV质子辐照时,不同辐照注量下GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池Voc的衰减程度。

2.2 短路电流

太阳电池外部电路短路时的电流定义为Isc,此时外部电路两端电压近似为0。归一化Isc随辐照注量的变化如图6a所示。由图6a可见,随着辐照注量的增大,归一化Isc降低。计算可得,当辐照注量达到2×1012cm-2时,短路电流的退化幅度达到3.34%。短路电流的退化主要是少数载流子的扩散长度减小所致。质子辐照产生的缺陷充当少数载流子的复合中心,这些复合中心导致大量光生载流子被质子辐照产生的缺陷复合,降低了非平衡少数载流子的寿命,从而缩短了少数载流子的扩散长度。当位于发射区顶部和基区底部的光生载流子的扩散长度不足以扩散到空间电荷区而被空间电场分离时,少数载流子对电池的光生电流贡献很小,导致子电池短路电流降低,进而诱发三结太阳电池短路电流减小。

图6 归一化Isc随辐照注量的变化Fig.6 Normalized Isc versus proton fluence

少数载流子扩散长度与辐照注量关系如式(5)[20-21]所示:

(5)

式中:L0和L分别为辐照前后少数载流子的扩散长度;KL为少数载流子扩散长度损伤系数。

在一定情况下,电池的短路电流与少数载流子的扩散长度呈正比,即Isc∝L[22]。由式(5)可知,辐照后少数载流子扩散长度随辐照注量的增加而减小,导致子电池的Isc减小,进而导致三结太阳电池的Isc退化幅度随辐照注量的增加而增大。

三结太阳电池的Isc随辐照注量的退化关系[19]可表示为:

(6)

式中,Isc0和Isc分别为辐照前后三结太阳电池的短路电流。

应用式(6)将不同注量下电池的归一化短路电流进行拟合即可得到参数C和Φ0的值,分别为0.079和1.23×1012,因此,式(6)可改写为:

(7)

应用式(7)对归一化短路电流进行拟合,拟合曲线如图6b所示。应用式(7)在一定范围内可预估100 MeV质子辐照时,不同辐照注量对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的Isc造成的衰减程度。

2.3 最大输出功率

太阳电池在最佳负载下所达到的最大输出功率定义为Pm,即太阳电池伏安特性曲线上电压和电流乘积最大的面积,是GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池最重要的电学参数。归一化Pm随辐照注量的变化如图7a所示。由图7a可见,Pm随辐照注量的增大而降低。与图5、6对比可见,Pm的退化幅度大于Voc和Isc的退化幅度,当辐照注量达到2×1012cm-2时,其退化幅度高达16.88%。这是由于随着辐照注量的增加,质子在三结太阳电池内部产生的位移损伤剂量增大,使得稳定缺陷浓度也逐渐增加,导致Pm的退化程度相比于低注量时更加显著。

图7 归一化Pm随辐照注量的变化Fig.7 Normalized Pm versus proton fluence

太阳电池的Pm与粒子辐照注量的关系[23]可表示为:

Pm∝IscVoc∝Φ-1/2lnΦ-1

(8)

通过前文对Voc和Isc的分析以及式(8)可很明显看出,辐照注量越大,Voc和Isc越小,从而导致Pm越低,即Pm随辐照注量Φ的增加而降低。

三结太阳电池最大输出功率随辐照注量的退化关系[19]可表示为:

(9)

其中,Pm0和Pm分别为质子辐照前后三结太阳电池的最大输出功率。

应用式(9)将不同注量下电池的归一化Pm进行拟合即可得到参数C和Φ0的值,分别为0.114和7.36×1010,则式(9)可写为:

(10)

根据式(10)得到归一化Pm的拟合曲线,如图7b所示。由式(10)可知,当辐照注量低于7.36×1010cm-2时,三结太阳电池的归一化Pm衰减幅度与辐照注量呈对数关系,辐照注量大于7.36×1010cm-2时,归一化Pm近似呈线性衰减。应用式(10)在一定范围内可预估100 MeV质子辐照时,不同辐照注量对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的Pm造成的退化幅度。

2.4 光电转换效率

太阳电池受光照时的Pm与辐照到太阳电池上的入射光功率(Pin)的比值定义为光电转换效率(Eff)[24],即:

(11)

本文对GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池电学参数的测试均在室温25 ℃和AM0条件下进行,此时Pin为136.7 mW/cm2。归一化Eff随辐照注量的变化如图8所示。由图8可见,归一化Eff随辐照注量的增大而减小。由式(11)可知,由于Pin为常数,Eff与Pm在不同辐照注量下具有相同的衰减幅度。结合图7、8可知,质子辐照后Pm退化显著,从而导致GaInP/GaAs/Ge太阳电池的Eff退化也很显著。

图8 归一化Eff随辐照注量的变化Fig.8 Normalized Eff versus proton fluence

以上结果表明,在100 MeV质子辐照下,辐照注量范围为1×1011～2×1012cm-2时,GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的Voc、Isc、Pm、Eff等辐射敏感参数均出现明显退化。分析其原因可能是因为,在100 MeV质子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池时,质子通过弹性碰撞和核反应等作用将自身能量传递给晶格原子,使其在太阳电池内部产生大量稳定的缺陷。这些缺陷会在太阳电池各子电池材料禁带中引入非辐射能级缺陷,非辐射能级缺陷充当少数载流子的复合中心,增加了少数载流子非辐射复合,进而导致少数载流子寿命减小,使得少数载流子扩散长度减小。此外,部分缺陷成为载流子的补偿中心,使得多数载流子浓度降低,造成Voc的降低。因此,辐照诱发的缺陷是导致三结太阳电池性能参数退化的主要原因。

3 结论

通过开展国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV质子辐照实验,分析了100 MeV质子位移损伤诱发国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池Voc、Isc、Pm、Eff等辐射敏感参数的退化规律。结果表明:辐照注量范围为1×1011～2×1012cm-2时,Voc、Isc、Pm、Eff的退化程度随辐照注量的增大而增大;辐照注量为2×1012cm-2时,Voc、Isc、Pm、Eff归一化处理后的退化程度分别为8.94%、3.34%、16.88%、16.88%。通过对不同辐照注量下所得Voc、Isc、Pm的退化程度进行拟合,获得了Voc、Isc、Pm随辐照注量变化的特征曲线。根据该曲线,在一定范围内可预估其他辐照注量下该电池性能的衰减幅度。根据Voc、Isc、Pm三者的拟合曲线可知,在相同辐照注量下,Pm衰减最严重。从国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池100 MeV质子辐照衰减程度分析,对该太阳电池进行质子辐照损伤加固需从减少Voc衰减方面进行考虑。

本文的辐照实验结果为开展不同能量质子辐照诱发GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池性能退化比较提供了高能质子辐照实验数据,为深入开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照实验方法标准制定、损伤机理分析、在轨寿命预估及抗辐射加固技术研究提供了理论指导和实验技术支持。下一步将继续深入开展不同能量质子、中子、电子辐照实验和仿真模拟研究。