GaInP/GaAs/Ge太阳电池发展现状

作为航天飞行器能源的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在太空环境运行时不仅受到光辐照,同时会受到各种能量的质子、电子等粒子的辐照,导致电池的电学性能发生衰退.太阳电池空间粒子辐照损伤机理及在轨性能退化预测成为目前研究的重点.

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。

国产高效GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的低能质子辐射效应

运用2×1.7MV串列静电加速器提供的质子束,对MOCVD方法制备的GaInP/GaAs/Ge三结电池进行低能质子辐射效应研究.选质子能量为0.28,0.62和2.80MeV,辐照注量为1×1010,1×1011,1×1012和1×1013cm-2.对电池的辐射效应用I-V特性和光谱响应测试进行分析.研究结果表明:随辐照注量的增加,太阳电池性能参数Isc,Voc和Pmax的衰降幅度均增大;但随质子辐照能量的增加,Isc,Voc和Pmax的衰降幅度均减小.实验中0.28MeV质子辐照引起电池Isc,Voc,Pmax衰降最显著,三结电池中光谱响应衰降最明显的是中间GaAs电池.

0．28-2．80MeV质子辐射对空间实用GaInP／GaAs／Ge多结太阳电池性能的影响

用0.28、0.62和2.80 MeV质子束模拟空间辐射对国产MOCVD方法制备的GaInP/GaAs/Ge多结电池进行质子辐射效应研究。辐照注量为1×10^(12)cm^(-2)。对电池的辐射效应用I-V特性和光谱响应测试进行分析。结果表明:随质子辐照能量的增加,太阳电池性能参数I_(sc),V_(oc),p_(max)和光谱响应的衰降幅度均减小,0.28MeV质子辐照引起电池性能衰降最显著;低能质子辐照引起中间GaAs电池光谱响应衰降更明显。

一种国产GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子辐照特性

对一种国产GalnP/GaAs/Ge三结太阳电池进行了1 MeV电子辐照损伤研究,分析和讨论了不同注量电池电参数和光谱响应的衰降规律。实验结果表明,这种电池不但有很高的初始效率,而且有好的抗辐射性,电子注量达到1×1015cm-2时,最大输出功率为辐照前的80．4%。辐照后GalnP顶电池几乎不发生退化,而GaAs中间电池短路电流严重退化,致使GalnP顶电池与GaAs中间电池电流失配,是GalnP/GaAs/Ge电池性能退化的主要原因。

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。

电子辐照GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池短路电流退化机制研究

应用PC1D程序拟合1 Me V电子辐照后Ga In P/Ga As/Ge太阳电池的光谱响应得到少数载流子扩散长度随辐照电子注量的变化关系.结果表明:少数载流子(少子)扩散长度随辐照电子注量增加而减小,少数载流子扩散长度的缩短是太阳电池短路电流退化的主要原因.

GaInP_2/GaAs/Ge叠层太阳电池材料的低压MOCVD外延生长

本文采用自制的 L P-MOCVD设备 ,外延生长出 Ga In P2 / Ga As/ Ge叠层太阳电池结构片 ,对电池材料进行了 X射线衍射测试分析 .另外 ,采用二次离子质谱仪测试了电池结构的剖面曲线 .用此材料做出的叠层太阳电池 ,AMO条件下光电转换效率 η=1 3 .6% ,开路电压 Voc=2 2 3 0 m V,短路电流密度 Jsc=1 2 .6m A/ cm2 .

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。

质子辐照与电子辐照对空间GaAs/Ge太阳电池性能影响比较

利用地面实验室加速器提供的离子束模拟空间质子、电子辐射,分别对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行不同注量的辐照,并跟踪测试其电性能变化和深能级瞬态谱,研究这种太阳电池的电性能参数随质子、电子辐照注量的变化关系,得到质子、电子辐射效应及两者辐射效应的联系规律.结果表明:引起电池性能参数衰降相同时,1 MeV电子辐照注量比10 MeV质子的通常要大3个量级,质子辐照与电子辐照使电池性能参数Pmax下降了25%时,辐照注量有近似关系Φ1 MeV(e)≈2 500×Φ10 MeV(p).10 MeV,3×1012cm-2质子辐照在电池材料中引入Ec-0.18 eV和Ec-0.65 eV深能级,1 MeV,1×1015cm-2电子辐照在电池材料中引入Ec-0.12 eV和Ec-0.18 eV深能级,电子、质子辐照产生的损伤缺陷不尽相同.

空间实用GaAs/Ge太阳电池高能质子辐射效应研究

用能量为5—20MeV,注量为1×109—7×1013 cm-2的高能质子对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行辐照,得到了其性能随质子能量和注量的变化关系,并进行了微观机理的讨论。研究结果表明,注量低于1×109 cm-2的质子辐照不会引起太阳电池性能的变化; 注量高于1×109 cm-2辐照,会引起太阳电池性能的改变。当注量为3×1012 cm-2时,5、10、20 MeV质子辐照引起太阳电池性能参数Isc衰降变化分别是原值的80%、86%、90%;Voc衰降变化分别为原值的82%、85%、88%;Pmax衰降的变化分别为原值的60%、64%、67%。当辐照注量为5×1013 cm-2时,5、10、20 MeV质子辐照引起Pmax衰降的变化分别为原值的26%、30%、36%。即随着注量的增加,太阳电池性能衰降增大;且相同注量的辐照,质子能量愈高,太阳电池性能衰降愈小。这与质子在电池材料中的能量损失和辐照引入的深能级Ec-0.41eV有关。

国产GaAs/Ge太阳电池在轨行为评价

研究了电子和质子辐照下国产GaAs/Ge太阳电池电学性能退化规律。结果表明:小于200keV质子辐照下国内外GaAs/Ge电池等效损伤系数明显不同,原因是国内外太阳电池结构参数的不同引起的。高能质子和电子辐照下,国内外电池等效损伤系数结果相近,和电池结构关系不大,这是由于高能质子和能够造成电池位移损伤的电子更容易穿透电池,在电池中产生均匀损伤。通过计算透过防护盖片后的带电粒子能谱对JPL(Jet Propulsion Labo-ratory)的等效注量法进行了改进,在地球同步轨道环境下评价了国产GaAs/Ge太阳电池的在轨行为。

空间用GaAs/Ge太阳电池器件工艺研究

报道了对GaAs/Ge太阳电池器件工艺的研究结果。采用细栅厚电极正胶剥离技术制备细栅厚电极 ,栅线宽度小于 15 μm ,厚度在 5 μm以上 ;采用NH4 OH/H2 O2 选择性腐蚀液体系去除GaAs帽子层 ;采用真空蒸发制备TiO2 /SiO2 双层减反射膜 ,电流密度增益可达 2 5 %以上 ;研制出平均效率达到 19% (AM0 ,1s,2 5℃ )以上的GaAs/Ge太阳电池。

用于GaInP/GaAs双结叠层太阳电池的MOVPE外延材料

采用金属有机化合物气相淀积(MOVPE)技术生长用于GaInP/GaAs双结叠层太阳电池的外延材料。针对材料生长中的隧穿结、p-AlInP层等关键问题,通过对掺杂剂、生长技术及条件的调整与改进,极大地提高了GaInP/GaAs双结叠层太阳电池性能,最高转换效率达到23.8%(AMO,25℃)。

碳离子辐射对空间GaAs/Ge太阳电池性能影响的研究

利用2×1.7 MV串列静电加速器提供的碳(C)离子束模拟空间环境辐射,对空间GaAs/Ge太阳电池用注量为3.1×109—6.9×1012 cm-2的2 MeV C离子进行辐照。通过I-V特性和光谱响应测试,研究分析了GaAs/Ge太阳电池的C离子辐射效应。结果表明:随着C离子辐照注量的增加,GaAs/Ge太阳电池电性能参数Isc、Voc和Pmax衰降增大,其中Pmax衰降最大,Isc次之,Voc最小。该衰降规律和质子辐照的衰降规律相似。但使GaAs/Ge太阳电池的Pmax衰降到原值的50%,用C离子辐照所需注量要比相同射程的质子辐照小两个量级。在低注量辐照时,光谱响应衰降主要发生在长波范围;而注量大于3.1×1010 cm-2时,则发生明显的长、短波整个波段的光谱响应衰降;当注量增大到2.3×1011 cm-2以上,光谱响应基本消失。

GaAs/Ge太阳电池电子辐射效应的移位损伤剂量分析

引入移位损伤剂量,对国产空间用GaAs/Ge太阳电池电子的辐射效应进行研究分析。首先计算电子在电池中的非电离能损(non-ionizing energy loss,NIEL)值,再用其与电子辐射注量的相乘,得到相应的移位损伤剂量(displacement damage dose,Dd),并对不同能量电子辐射下GaAs/Ge太阳电池最大输出功率Pmax随Dd的衰降曲线进行修正。分析结果表明:用Dd代替辐射注量,可使不同能量电子辐射引起的GaAs/Ge太阳电池Pmax的衰降能用单一曲线来描述。由此,通过NIEL值的计算和相对少的电子实验数据,就可确定太阳电池Pmax的衰降曲线,能够方便地预测在轨任务太阳电池的工作寿命。

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.

5～20 MeV高能质子辐照对空间实用GaAs/Ge太阳电池性能的影响

用能量为 5～ 2 0MeV ,注量为 1× 10 9～ 7× 10 13 cm- 2 的高能质子对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行辐照 ,得到了其性能随质子能量和注量的变化关系 ,并对变化关系进行了能损模拟分析 .结果表明 :注量低于 1× 10 9cm- 2 的质子辐照不会引起太阳电池性能的变化 ;当注量增加为3× 10 12 cm- 2 时 ,5 ,10 ,2 0MeV质子辐照引起的太阳电池性能参数Isc的衰降变化分别是原值的80 % ,86 % ,90 % ;Voc的衰降变化分别为原值的 82 % ,85 % ,88% ;Pmax的衰降变化分别为原值的6 0 % ,6 4 % ,6 7% .当辐照注量为 5× 10 13 cm- 2 时 ,5 ,10 ,2 0MeV质子辐照引起的Pmax衰降变化分别为原值的 2 6 % ,30 % ,36 % .即随着注量的增加 ,太阳电池性能衰降增大 ;且相同注量的辐照 ,质子能量愈高 ,太阳电池性能衰降愈小 .

GaAs/Ge太阳电池异常I-V特性曲线分析

分析了GaAs/Ge单结太阳电池研制中两种异常I-V特性曲线出现的主要原因:GaAs/Ge界面的相互扩散,形成附加结或附加势垒;并获得与实验有很好吻合的计算模拟结果,进一步证实了理论分析.此外,在上述分析的指导下,通过降低生长温度和优化成核条件,成功获得了效率为20.95%(AM0,25℃,2cm× 4cm)的GaAs/Ge太阳电池.

高温处理工艺对低压MOCVD外延GaAs/Ge太阳电池的影响

采用自制的低压金属有机化学汽相淀积LP MOCVD设备 ,在Ge衬底 (10 0 )面向 (111)偏9°外延生长出GaAs电池结构 ,对电池材料进行了X射线衍射分析 另外 ,对由此材料制成的太阳电池进行了性能测试 ,测试结果表明 ,Ge衬底的高温处理工艺对GaAs/Ge太阳电池的电流电压特性有一定的影响 试验表明 ,在 6 0 0～ 70 0℃之间高温处理效果较好 。