GaAs三结太阳电池1MeV中子辐射效应研究

研究了金属有机气相外延(MOCVD)方法制备的晶格匹配(LM)和正向晶格失配(UMM)砷化镓三结太阳电池在1 MeV中子辐照后的电学和光学性能衰退情况。结果表明:在中子辐照下,电池电学性能,包括短路电流(J_(sc))、开路电压(V_(oc))、最大功率(P_(max))、填充因子(FF)均发生明显衰降,且衰降幅度随注量增加;电池串联电阻Rs随注量增加,并联电阻Rsh随注量减小。在相同注量下,LM和UMM的P_(max)退化情况相近,当中子注量达到6×10^(12)n/cm^(2)时,LM和UMM电池的最大输出功率Pmax分别下降至初始值的72.9%和72.3%。由外量子效率(EQE)光谱退化曲线和子电池积分电流密度可知,两种电池的中电池光电流退化均最明显且为电池的限流子电池。

空间GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构参数对电学性能影响机理研究

本文使用计算机模拟了三结GaInP/GaAs/Ge太阳电池,通过改变顶电池GaInP、中电池GaAs厚度以及掺杂浓度等结构参数,得出了电池的光生载流子收集效率和电学特性之间的规律,揭示了太阳电池结构参数对电学性能影响的内在物理机制。结果表明,发射区厚度变化主要影响短波区域,基区厚度变化主要影响长波区域。顶电池GaInP发射区厚度增加,短路电流、开路电压先增后降;基区厚度增加,短路电流降低,最大功率随短路电流的变化而变化。中电池GaAs厚度增大,短路电流整体呈降低趋势,开路电压略有升高。GaInP工作区掺杂浓度升高,电学性能几乎不发生改变;GaAs工作区掺杂浓度升高,开路电压略有增加,短路电流和最大功率均呈下降趋势。可见GaInP的掺杂浓度对电池的影响远远低于GaAs。

基于不同衬底角度的GaInP/GaAs/InGaAs倒置三结太阳电池性能研究

带隙组合为1.9/1.42/1.0 eV的三结GaAs太阳电池具有很好的电流匹配,AM0光谱下理论效率可达38%。由于不同衬底角度生长倒置三结的性能研究报道较少,文章分别采用6°和15°偏向角生长GaInP/GaAs/InGaAs倒置三结太阳电池进行研究,并研究其子电池性能差异。研究表明,6°衬底生长倒置三结表面粗糙度、翘曲,以及XRD均匀性均优于15°衬底。在性能方面,6°衬底电压比15°衬底高13 mV,900~100 nm和1 100~1 250 nm范围内QE光谱响应更高。

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

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池是当前航天器空间电源系统的核心元器件,其在空间辐射环境中遭受的辐照损伤会导致太阳电池性能参数衰降,甚至导致航天器供电系统功能失效。为获取GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池高能质子辐照损伤退化规律,以国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,通过开展100 MeV质子不同注量下的辐照实验,分析质子位移损伤诱发GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的开路电压(V_(oc))、短路电流(I_(sc))、最大输出功率(P_(m))、光电转换效率(E_(ff))等辐射敏感参数的退化规律和损伤机理。结果表明:注量范围为1×10^(11)~2×10^(12)cm^(-2)时,V_(oc)、I_(sc)、P_(m)、E_(ff)的退化程度随辐照注量的增加而增大,当注量为2×10^(12)cm^(-2)时,P_(m)和E_(ff)归一化处理后的退化程度均为16.88%,与V_(oc)和I_(sc)相比,衰减更严重。对不同注量辐照所得V_(oc)、I_(sc)、P_(m)、E_(ff)进行拟合,获得了V_(oc)、I_(sc)、P_(m)、E_(ff)随辐照注量变化的特征曲线,根据该曲线可预估GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同注量下性能的衰减幅度。

基于三结太阳电池的透射率测量系统

在空间环境中太阳电池的涂层会发生退化,从而影响航天器的飞行寿命,因此研究能够测量涂层光学透射率变化的系统具有重要意义.使用三结太阳电池作为探测器接收光能量;设计光电流检测电路,对太阳电池输出电流进行电流-电压变换,放大,滤波和模数转换,最终输入上位机处理;运用双通道比对测量技术,比较有玻璃和无玻璃的三结太阳电池光电流测量值,计算出玻璃样片在三结太阳电池响应谱段内的整体透射率;使用热电阻传感器检测太阳电池工作温度以消除温度变化带来的误差.通过实验测得系统的测试相对误差约为0.1%,测量不确定度小于0.15%.

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术研究进展

文章首先重点介绍了国内外开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子、质子及其他辐射粒子或射线辐照实验的研究进展,然后从辐照损伤效应的仿真模拟研究、抗辐射加固技术、损伤预估方法等方面综述了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术的研究进展,最后梳理了当前GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应研究中亟待解决的关键技术问题,为深入开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应实验方法标准制定、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。

晶格失配对GaInP/In_xGa_(1-x)As/In_yGa_(1-y)As倒装三结太阳电池性能影响的分析

传统GaInP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池因受其带隙组合的限制,转换效率再提升空间不大.倒装结构三结太阳电池因其更优的带隙组合期望可以得到更高的效率.基于细致平衡原理,结合P-N结形成机理,应用MATLAB语言对双晶格失配GaInP(1.90 eV)/In_xGa_(1-x)As/In_yGa_(1-y)As倒装结构三结太阳电池底、中电池的不同带隙组合进行模拟优化.模拟结果表明在AM1.5D,500倍聚光(500 suns)下,禁带宽度组合为1.90/1.38/0.94 eV的带隙最优,综合材料成本与试验条件,当顶、中电池最优厚度组合为4μm和3.2μm时理论转化效率高达51.22%,此时两个异质结的晶格失配度分别为0.17%和2.36%.忽略渐变缓冲层生长后底电池位错的影响,通过计算0.17%的晶格失配引入1.70×105cm^(-2)的插入位错密度,对比单晶格失配GaInP/GaAs/In_(0.32)Ga_(0.68)As(0.99 eV)倒装结构三结太阳电池光电转化效率仍提高了0.3%.

高倍聚光光伏模组中三结太阳电池沿光轴方向光电性能与优化

目前,在高倍聚光光伏模组设计中,由于对菲涅耳透镜聚光后各波段的光强分布及其非均匀特性缺乏研究和认识,通常认为在菲涅耳透镜的聚光焦平面处多结太阳电池输出功率最大.本文通过光线跟踪模拟的方法,计算并分析菲涅耳透镜聚光下不同波段的光照能量分布和非均匀特性.同时,结合三结太阳电池电路网络模型,研究在高倍聚光光伏模组中,沿光轴方向不同位置处三结太阳电池的发电性能.结果表明:模组输出功率最高位置在焦平面沿光轴方向上下两侧的位置,优化后模组输出功率比常规设计提高20%以上.该模拟结果得到了实验结果的验证.

三结太阳电池高能电子损伤模拟及仿真分析

利用wx AMPS软件构建了高效Ga In P/Ga As/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,1 Me V电子辐照的缺陷引入率约为0.81。

InGaP/GaAs/InGaAs倒装结构三结太阳电池的辐照损伤仿真分析

为了保证倒装结构三结电池在空间辐射环境中使用的可靠性,揭示倒装工艺引入位错缺陷对电池辐射衰减的影响,文章基于泊松方程和载流子传输方程建立了倒装结构InGaP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的物理模型,在地面等效实验验证的基础上,研究辐射以及电池内部位错缺陷对电池输出的影响。首先通过模型研究了微观载流子复合与电池电学性能之间的关联,发现当1 MeV电子入射注量达到10^(14) cm^(-2)时,该电池中少数载流子复合由辐射复合起主要作用转变为由非辐射复合起主要作用。此外,文中还给出了InGaAs底电池的非辐射少数载流子寿命以及电池电学参数与穿透位错密度(TDD)的函数关系,发现随着TDD的增加,辐照对少子寿命和电池性能的影响均减弱。

三结太阳电池栅线对激光辐照中的传热影响研究

为了研究三结太阳电池表面的栅线在1 070 nm连续激光辐照过程中的传热影响机制,文中通过激光辐照过程中三结太阳电池实时的电致发光现象分析三结太阳电池的损伤情况,并建立三维锗基太阳电池模型,借助有限元分析软件COMSOL对连续激光辐照锗基太阳电池的温度分布进行仿真。结果表明:在连续激光功率密度为72.5 W/cm2、辐照时间为41 s时,三结太阳电池的顶电池出现轻微损伤,损伤区域首先沿着栅线分布。在锗基太阳电池的仿真模型中,电池的温度升高至1 318 K,栅线引起了三结太阳电池热量传递方向的各项异性,沿着栅线具有更高的热传导速率。仿真结果能够对实验现象给予合理的解释。

太阳模拟器光谱对三结太阳电池Ⅰ-Ⅴ测试的影响

利用三结太阳电池的二极管模型及量子效率测试结果,计算了在不同太阳模拟器光谱条件下的三结太阳电池性能,结果表明:由于现有的太阳模拟器光谱与AMO光谱间的差异,可能造成短路电流、转换效率测试结果偏低,而太阳模拟器光谱中的峰值对测试影响较小。

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.

电子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池少子寿命的变化

为研究电子辐照空间太阳电池的损伤机制,对电子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池进行了光致发光谱测量,分析了GaInP顶电池及GaAs中间电池发光强度随电子注量的变化规律。利用辐射效率关系对归一化发光强度随电子辐照注量的变化进行了拟合,分别得到了GaInP顶电池及GaAs中间电池在不同辐照条件下的少子非辐射复合寿命τnr,通过对比辐照前后少子非辐射复合寿命的衰降变化,发现GaInP顶电池的抗辐照性能优于GaAs中间电池。

高倍聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池研究

在综述高倍聚光GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池的研究现状与发展趋势的基础上,对高倍聚光太阳电池的关键技术、性能提升方法和可靠性进行了研究。指出提高隧穿电流和降低串联电阻是高倍聚光三结太阳电池的关键技术,并提出了相应的解决方法。采用多异质结构隧穿结提高了隧穿电流,减小横向扩展电阻和栅线电阻降低了总的串联损耗。此外,通过分别提高GaInP顶电池和底电池禁带宽度、降低InGaAs中电池禁带宽度可进一步提高太阳电池的转换效率。最后探讨了高倍聚光太阳电池的可靠性测试标准。

包含布拉格反射器的空间用GaInP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池性能

利用光学膜系设计软件(TFCalc),设计出空间用GaInP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池的分布式布拉格反射器(DBR)。实验结果表明由15对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As组成的DBR在中心波长850nm处的反射率高达96%,使800~900nm波段内红外光被有效反射后又被二次吸收,提高了GaInAs中间电池的抗辐照能力。基于细致平衡原理,结合p-n结形成机理,对原电池结构和包含DBR的新电池结构进行厚度优化。通过对比中电池厚度为2.93μm的原电池结构和中电池厚度为1.2,1.6,2.0μm的新电池结构的辐照前外量子效率(EQE),发现新电池结构基本弥补了基区减薄对短路电流的影响。通过分析两种结构电池辐照前后的电学性能,发现DBR结构的存在明显改善了辐照后电池电流的衰减,并且中电池厚度为1.6μm的新电池结构辐照后效率高达24.87%,较原电池结构提升了近2%,基本接近中电池厚度为2.0μm的新电池结构,且明显高于1.2μm中电池厚度的新电池结构。

三结太阳电池在非均匀光照下光斑强度和覆盖比率的优化研究

高倍聚光光伏组件通常采用光电转化效率较高的三结太阳电池.由于聚光器件的非理想性,电池承受的光照分布通常是高度非均匀的,在光伏组件中可通过适当增大光斑与电池面积的比率来降低光照非均匀性对电池电学性能的影响.通过对某一特定三结电池进行电路网络建模计算,分析光斑的强度分布和照射面积对电池的影响,并对比了四种设计方案(均匀光照、非均匀光照、电池效率最大、组件效率最大)下的光斑强度、光斑大小、电池效率以及电池温度分布.对比分析结果表明,组件达到效率最大时的电池效率并不是电池在标准测试条件下的最大效率,而使电池工作在效率最大值的设计方案中组件效率最低.组件效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较小,因此该方案将导致组件成本增大.电池效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较大并且电池温度最低,故该方案组件成本较低且可靠性较高.这表明在实际组件设计中应充分考虑对发电量的实际需求,选择合适的几何聚光倍数和光斑覆盖电池的比率.

线偏振光电位移矢量振动方向对InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池开路电压的影响

研究了线偏振光振动方向对InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池开路电压的影响,结果表明开路电压随线偏振光电位移矢量振动方向按周期性变化,变化的幅度在1%—4%左右.理论分析证实了线偏振光电位移矢量的调制可以改变太阳电池的输出开路电压,是由于三结太阳电池晶体结构以及应力影响导致能带结构出现各向异性产生的.此外,实验结合理论分析,研究了三结太阳电池开路电压随光照度的变化关系,得出开路电压随光强变化成对数关系.拟合结果说明三结级联太阳电池可以简单看成三个单结太阳电池串联,其理想因子接近6,是由于三结太阳电池中缺陷影响的结果.

大面积高效率空间用三结砷化镓太阳电池的研究

通过在电池中引入布拉格反射器,提高电池抗带电子辐照能力,经辐照后使电池最大功率平均衰减小于18%。优化上电极栅线结构,当金属栅线面积占电池面积的3.0%时,电池平均短路电流为456.2mA。优化TiO_x/AlO_x双层减反射膜结构,短波300~500nm范围内电池表面反射率小于30%。采用以上结构最终制备出面积为26.8cm^2的空间用三结砷化镓太阳电池,批产平均转换效率为29.61%,最大转换效率30.15%。

三结砷化镓聚光太阳电池电学特性的研究与仿真

聚光太阳系统将多结太阳电池与聚光器组合在一起，具有较高转换效率。本文基于单二极管模型等效电路，建立三结聚光GaInP／GaLnAs／Ge叠层太阳电池的数学模型，研究不同聚光倍数下（200-1000X）电池的电学特性，并与实测值进行对比。结果表明：其开路电压、短路电流和电池功率随聚光比的逐步增大而增加，而电池效率随聚光比的升高呈先增后减趋势。实测值均小于理论值，计算误差随聚光比的增加而变大，最大计算误差不超过7．5％。