顏媛媛，方美華，湯曉斌，陳飛達(dá)

(1.南京航空航天大學(xué) 核科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 210016)

Ⅲ-Ⅴ族疊層太陽(yáng)能電池，如GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池，由于其轉(zhuǎn)換效率高、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)被普遍應(yīng)用于航天器和衛(wèi)星的主要能源系統(tǒng)[1]。然而當(dāng)其暴露于空間輻射環(huán)境下時(shí)，電學(xué)性能會(huì)發(fā)生衰減[2]。對(duì)衛(wèi)星用GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池的輻照實(shí)驗(yàn)[3-4]證明，作為三結(jié)電池的中間層GaAs子電池，其受到的輻照損傷較其他子電池嚴(yán)重，中間層GaAs子電池一旦受到輻照損傷，光伏參數(shù)明顯降低。因此，為保證GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池在空間服役的可靠性，有必要對(duì)其中間層GaAs子電池進(jìn)行輻照損傷研究。

GaAs太陽(yáng)能電池作為衛(wèi)星用主流電池，關(guān)于其電性能輻射衰減的研究很多，主要是利用地面加速器提供的離子對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行輻照，得到其性能退化隨離子能量、注量的變化情況。對(duì)GaAs電池輻射衰減評(píng)估主要采用等效注量法和位移損傷劑量法，分別將輻照損傷與輻照注量和位移損傷劑量相關(guān)聯(lián)，建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂泄こ虘?yīng)用意義[5]。而根據(jù)輻照導(dǎo)致電池性能衰減的原理，輻照會(huì)使電池中產(chǎn)生深能級(jí)缺陷進(jìn)而導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命降低是電池輸出衰減的主要原因[4]，因此，有必要對(duì)輻照后電池中的少數(shù)載流子壽命進(jìn)行分析，并對(duì)少數(shù)載流子壽命與電池電學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行研究。目前對(duì)GaAs電池少數(shù)載流子壽命測(cè)試主要采用時(shí)間分辨光致發(fā)光測(cè)試手段，該測(cè)試對(duì)樣品的尺寸、結(jié)構(gòu)要求較高，且對(duì)測(cè)試設(shè)備精度要求較高[6-7]。鑒于對(duì)少數(shù)載流子壽命實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)щy，本文提出一種有限元模擬的方法來(lái)分析GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池輻照后中間層GaAs子電池中的少數(shù)載流子壽命，建立少數(shù)載流子壽命與GaAs輸出性能的衰減模型。在此基礎(chǔ)上，以中國(guó)空間站衛(wèi)星為研究對(duì)象，研究其所面臨的輻射環(huán)境，以及輻射環(huán)境對(duì)電池輸出衰減的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為研究衛(wèi)星用三結(jié)太陽(yáng)能電池GaInP/GaAs/Ge中間層GaAs子電池在輻照條件下的性能衰減，制備與中間電池結(jié)構(gòu)尺寸和制備工藝條件一致的單結(jié)GaAs電池進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。三結(jié)和單結(jié)電池均由上?？臻g電源研究所制備，制備工藝為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

以100 nm高摻雜的緩沖層作為后續(xù)基區(qū)以及發(fā)射區(qū)的起始層，在緩沖層上先外延摻雜濃度為1×1017cm-3、厚度為3 μm的基區(qū)，再生長(zhǎng)摻雜濃度為1×1018cm-3、厚度為100 nm的發(fā)射區(qū)。電池樣品的面積為1 cm×1 cm，電池整體厚度為373 μm。

采用蒙特卡羅軟件SRIM對(duì)質(zhì)子在電池中的射程進(jìn)行模擬，150 keV質(zhì)子的射程在電池基區(qū)。150 keV質(zhì)子輻照在哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的正離子輻照模擬系統(tǒng)上進(jìn)行，注量為3×1010～5×1011cm-2，注量率為1×109cm-2·s-1，在室溫、真空度1×10-5Pa條件下進(jìn)行。

對(duì)輻照前后的樣品進(jìn)行電性能測(cè)試、量子效率測(cè)試和光致發(fā)光測(cè)試。用太陽(yáng)光模擬器模擬AM0(大氣質(zhì)量0，能量密度135 mW/cm2)，在室溫下測(cè)試GaAs太陽(yáng)能電池在該條件下輻照前后的I-V(I為電流，V為電壓)特性，測(cè)量的電池樣品性能參數(shù)包括開(kāi)路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、最大輸出功率(Pmax)，測(cè)試設(shè)備為keithley 2636數(shù)字源表。利用LabRam HR 800光致發(fā)光測(cè)試儀測(cè)試GaAs電池輻照前后的光致發(fā)光(PL)特性曲線。

圖1 GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of GaInP/GaAs/Ge

1.2 COMSOL物理建模

采用多物理場(chǎng)分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行模擬[8]?？紤]到太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換過(guò)程涉及半導(dǎo)體和光學(xué)兩個(gè)方面的物理過(guò)程，模型將射線光學(xué)模塊與半導(dǎo)體模塊相結(jié)合，來(lái)闡明GaAs太陽(yáng)能電池的工作情況。

1) 物理模型基本方程

模擬過(guò)程中使用載流子擴(kuò)散和遷移方程。為研究低能質(zhì)子輻照下太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的缺陷及其對(duì)電池性能的影響，采用Shockley-Read-Hall復(fù)合模型模擬缺陷的產(chǎn)生過(guò)程。半導(dǎo)體模塊中采用泊松方程(式(1))、電子輸運(yùn)方程(式(2))和空穴輸運(yùn)方程(式(3))結(jié)合進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

其中：V為空間電勢(shì)分布；n和p分別為電子和空穴濃度；ε0為介電常數(shù)；N為摻雜濃度；Dn和Dp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)；μn和μp分別為電子和空穴的遷移率；RSRH為輻射復(fù)合率。

射線光學(xué)模塊用于計(jì)算太陽(yáng)光的平均照度和光譜輻照度。光譜輻照度用于定義載流子生成速率G：

(4)

其中：α(λ)為電池材料對(duì)光的吸收系數(shù)；R(λ)為電池材料對(duì)光的反射系數(shù)；φ(λ)為光的產(chǎn)生速率。本文假設(shè)電池的輸出特性與光譜輻照度H0呈正比。依據(jù)電池AM0光譜的光強(qiáng)，本文參考輻照度取H0=135 mW/cm2。

2) 物理模型相關(guān)參數(shù)

對(duì)電池基區(qū)采用N型解析摻雜模型，電池前表面為P型幾何摻雜，結(jié)深為0.5 μm。對(duì)于電池中產(chǎn)生的陷阱復(fù)合采用Shockley-Read-Hall復(fù)合模型進(jìn)行描述。模擬過(guò)程中使用的材料參數(shù)列于表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 量子效率分析

量子效率是用于評(píng)估太陽(yáng)能電池輻照后損傷的有效分析方法。電池光譜的變化就是電池性能的改變。質(zhì)子輻照后電池量子效率與SRIM模擬的質(zhì)子在電池中的射程與損傷分布示于圖2。其中縱坐標(biāo)為量子效率的強(qiáng)度，強(qiáng)度越大，表明缺陷越少，電池性能越好。

表1 模擬過(guò)程中使用的材料參數(shù)Table 1 Material parameter used in simulation process

圖2a表明，150 keV低能質(zhì)子輻照后，量子效率曲線在短波部分衰減較小，在長(zhǎng)波段衰減較大；量子效率在500～900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)明顯下降，衰減峰出現(xiàn)在860 nm(約1.41 eV)。對(duì)于波長(zhǎng)較短的光波，光子幾乎全部被電池前面的P區(qū)吸收，波長(zhǎng)在400～800 nm之間時(shí)，入射光子通過(guò)窗口層到達(dá)P-GaAs層后，絕大部分在該層被吸收而產(chǎn)生光生載流子，這些載流子能否擴(kuò)散到達(dá)電池結(jié)區(qū)，且被PN結(jié)靜電場(chǎng)分離，越過(guò)PN結(jié)而產(chǎn)生光生電流，是決定電池效率的最主要因素。波長(zhǎng)超過(guò)800 nm后，由于光子在GaAs中有較長(zhǎng)的穿透深度，因此電池的表面復(fù)合率對(duì)電池性能起主要影響作用。

圖2 電池的量子效率曲線(a)和質(zhì)子在電池中的射程與損傷分布的SRIM模擬(b)Fig.2 Quantum efficiency curve of GaAs (a) and SRIM simulation of range and damage distribution of proton in GaAs (b)

由SRIM模擬(圖2b)可知，150 keV能量質(zhì)子射程在GaAs電池的基區(qū)，說(shuō)明150 keV質(zhì)子輻照下，基區(qū)的損傷較發(fā)射極和空間電荷區(qū)的大。而由圖2還可知，基區(qū)的空位數(shù)高于發(fā)射極。因此量子效率曲線的變化可能與輻照引起的缺陷有關(guān)，輻照缺陷使光產(chǎn)生的載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，從而影響載流子的收集效率。根據(jù)輻照后電池中少數(shù)載流子壽命表達(dá)式[9](式(5))可知，空位等缺陷濃度越高，電池少數(shù)載流子壽命越低，少數(shù)載流子壽命降低是電池電學(xué)性能減低的主要原因。

1/τ=1/τ0+Nσv

(5)

其中：τ為輻照后少數(shù)載流子的壽命；τ0為輻照前少數(shù)載流子的壽命；N為輻照導(dǎo)致的電池中的缺陷濃度；σ為輻照后少數(shù)載流子的俘獲截面；v為載流子熱運(yùn)動(dòng)速率。

2.2 光致發(fā)光測(cè)試與少數(shù)載流子壽命

光致發(fā)光(PL)通過(guò)用波長(zhǎng)較短的激光激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生熒光，通過(guò)對(duì)輻照前后的GaAs太陽(yáng)能電池進(jìn)行PL強(qiáng)度測(cè)試，分析GaAs電池的光學(xué)特性。質(zhì)子輻照后GaAs太陽(yáng)能電池的PL光譜如圖3所示。

從圖3可看出，輻照前的PL光譜在波長(zhǎng)870 nm處有1個(gè)很強(qiáng)的銳峰。輻照前電池的特征峰強(qiáng)度達(dá)18 000，輻照后降為2 000，說(shuō)明150 keV質(zhì)子輻照對(duì)GaAs太陽(yáng)能電池的光學(xué)性能具有破壞性影響，GaAs的晶體點(diǎn)陣受到嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生了大量輻照缺陷。輻照后GaAs材料的PL強(qiáng)度隨低能質(zhì)子輻照注量的增加而顯著降低。

輻照后電池的PL相對(duì)強(qiáng)度(輻照后PL強(qiáng)度與輻照前PL強(qiáng)度的比)顯著降低，這也是由于少數(shù)載流子變化造成的，PL相對(duì)強(qiáng)度η表達(dá)式[10]如下：

η=(1+τr/τnr)-1

(6)

其中：τr為輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命；τnr為非輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命。τr可表示為：

τr=1/BN

(7)

其中：N為摻雜濃度；B為輻射復(fù)合系數(shù)，由式(10)表示：

(8)

其中：c為光速；Eg(0)為能帶；ng和αg分別為折射率和吸收系數(shù)；mc和mv分別為電子和空穴有效質(zhì)量與電子質(zhì)量之比；Sg為無(wú)量綱耦合常數(shù)；TE為愛(ài)因斯坦溫度；T為溫度；Tb為輻射系數(shù)模型溫度；h為普朗克常數(shù)。

圖3 質(zhì)子輻照后GaAs太陽(yáng)能電池的PL光譜Fig.3 Photoluminescence spectrum of GaAs solar cell irradiated by proton

結(jié)合式(8)可得出，在室溫 (T=300 K) 下，輻射復(fù)合系數(shù)B=0.65×10-9cm3·s-1，從而計(jì)算出質(zhì)子輻照前GaAs電池中輻射復(fù)合載流子壽命τr為15.4 ns。對(duì)于單結(jié)GaAs電池，輻照前電池中的非輻射復(fù)合載流子壽命為600～1 000 ns。因此結(jié)合有效載流子壽命公式(式(9))可知，輻照前，有效載流子壽命τeff由輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命決定。

1/τeff=1/τr+1/τnr

(9)

τnr=1/kσvφ

(10)

其中：σ為少數(shù)載流子俘獲截面；v為少數(shù)載流子的熱運(yùn)動(dòng)速率；k為非輻射復(fù)合中心的引入率。

根據(jù)式(6)～(10)，PL相對(duì)強(qiáng)度η可用下式表示：

η=(1+τr/τnr)-1=(1+τrkσvφ)-1

(11)

由式(11)可知，PL相對(duì)強(qiáng)度可表示為歸一化的PL強(qiáng)度與質(zhì)子輻射注量的擬合函數(shù)，因此依據(jù)PL相對(duì)強(qiáng)度與式(11)，得到PL相對(duì)強(qiáng)度與輻照注量的關(guān)系曲線，如圖4所示。根據(jù)圖4可得出參數(shù)kσv為0.015 cm2/s，由式(11)可計(jì)算得到τnr，再由式(9)即可計(jì)算得到τeff，計(jì)算結(jié)果列于表2。

圖4 GaAs太陽(yáng)能電池的歸一化PL強(qiáng)度與輻照注量的關(guān)系Fig.4 Relationship between normalized PL intensity of GaAs solar cell and irradiation fluence

注量/cm-2τnr/nsτeff/ns3×10102.221.941×10110.670.645×10110.130.13

從表2可看出，質(zhì)子輻照后電池中的非輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命隨輻射注量的增加而急劇降低，因此質(zhì)子輻照后，電池中的有效少數(shù)載流子壽命由非輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命決定。由此可知，輻照前，GaAs的少數(shù)載流子的復(fù)合以輻射復(fù)合為主，而輻照到一定程度后，電池中少數(shù)載流子的復(fù)合方式以非輻射復(fù)合為主，電池輻照后電性能降低主要是由于電池中非輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命的降低導(dǎo)致的。

2.3 GaAs電池輻照后電學(xué)性能分析

GaAs電池輻照前后的I-V曲線如圖5a所示。由圖5a可知，隨著輻照注量的增加，電池的短路電流Isc和開(kāi)路電壓Voc都發(fā)生了衰減，輻照注量小于1×1011cm-2時(shí)，Isc的衰減較少，注量達(dá)到5×1011cm-2時(shí)，Isc衰減至原電池的約50%，電池的損傷較嚴(yán)重。

圖5 GaAs電池輻照前后的I-V曲線 Fig.5 I-V curve of GaAs before and after irradiation

將PL測(cè)試得到的τnr代入利用有限元軟件建立的GaAs電池的物理模型，對(duì)GaAs電池在150 keV質(zhì)子不同輻照注量下的衰減曲線進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5b所示，關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子(FF)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比示于圖6。

圖6 GaAs電池輻照后電池輸出性能參數(shù)模擬值和實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.6 Comparison of simulated and experimental output performance parameter of GaAs cell after irradiation

由圖6可見(jiàn)，由本文建立的GaAs電池物理模型所得的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的最大相對(duì)偏差為7%，其中Isc和Voc的較小，F(xiàn)F的較大，主要原因是COMSOL模擬過(guò)程中所建立的物理模型與實(shí)際電池相比較為理想化。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，式(10)中非輻射復(fù)合中心的引入率k可表示為：

k=βEniel

(12)

其中：β為系數(shù)；Eniel為非電離能量損失。對(duì)于150 keV能量的質(zhì)子，Eniel_p為0.24 MeV·cm2/g，則可得β為0.6×10-3eV-1，則由式(10)、(11)可得不同非電離能量損失條件下的τnr。

運(yùn)行于地球軌道的航天器將面臨不同的輻射環(huán)境，以高度400 km、傾角51.6°的空間站軌道[12]為例，主要輻射來(lái)源于地磁場(chǎng)捕獲輻射帶的南大西洋異常區(qū)，所面臨的輻射由電子和質(zhì)子組成。按照空間輻射場(chǎng)的數(shù)據(jù)，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)極大與極小時(shí)軌道質(zhì)子和電子的非電離能損通量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果示于圖7。

由圖7可看出，質(zhì)子的非電離能量損失較電子高約5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此電池的輻射損傷衰減主要來(lái)源于質(zhì)子輻射。

服役于空間的電池會(huì)采用玻璃蓋片、增透膜、硅膠等材料對(duì)輻射離子進(jìn)行屏蔽，本文采用電池玻璃蓋片的厚度(0.12 mm)[12]對(duì)空間質(zhì)子非電離能量損失微分通量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果示于圖8。對(duì)圖8能譜進(jìn)行積分可得，空間站太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)極大和極小時(shí)獲得的非電離能量損失分別為8.3、20.3 MeV/(cm3·s)。

圖7 空間軌道非電離能損微分譜Fig.7 Proton non-ionization energy loss differential spectrum of space orbit

根據(jù)所建立的COMSOL物理模型，可計(jì)算獲得不同運(yùn)行時(shí)間后GaAs電池的衰減。表3為空間站太陽(yáng)能電池運(yùn)行5 a后其電學(xué)性能參數(shù)衰減的百分比。從表3可看出，空間站運(yùn)行5 a后，太陽(yáng)活動(dòng)極大時(shí)，最大功率衰減約7.6%，太陽(yáng)活動(dòng)極小時(shí)，最大功率衰減約13.7%，該數(shù)值與文獻(xiàn)[13]中位于低地球軌道(高度500 km)電池5 a的衰減量9.6%較為符合。因此對(duì)于空間軌道中的太陽(yáng)能電池，可采用PL結(jié)合有限元模擬的方法，對(duì)電池衰減進(jìn)行預(yù)估。

圖8 穿過(guò)玻璃蓋片后質(zhì)子非電離能損微分譜 Fig.8 Proton non-ionizing energy loss differential spectrum after passing through cover glass

表3 GaAs電池在空間站軌道服役5 a電性能衰減值Table 3 Electrical performance degradation value of GaAs cell in space station orbital service for 5 a

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和COMSOL有限元模擬對(duì)150 keV質(zhì)子輻照對(duì)GaAs電池性能的影響進(jìn)行了研究。量子效率測(cè)試表明，低能質(zhì)子輻照后，GaAs電池量子效率在短波段衰減較少，長(zhǎng)波段衰減較為嚴(yán)重，歸因于電池輻照后缺陷的產(chǎn)生導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命降低。PL測(cè)試也表明，質(zhì)子輻照后電池的PL光譜的特征峰強(qiáng)度降低，主要原因是輻照后電池中產(chǎn)生了缺陷和復(fù)合中心，且輻照后電池中的非輻射復(fù)合少數(shù)載流子壽命顯著降低，這也是GaAs電池輻照后性能衰減的主要原因。結(jié)合PL測(cè)試結(jié)果與COMSOL有限元模擬，建立了GaAs子電池模型，將模擬得到的電池輸出與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的I-V結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，該模型可用于在軌服役三結(jié)電池中最易損傷的GaAs子電池性能的預(yù)測(cè)與其少數(shù)載流子壽命的評(píng)估。