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。

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。

GaInP/GaAs太阳电池的柔性封装及稳定性

柔性Ⅲ-Ⅴ薄膜太阳电池通常被作为空间电源在航天器上使用,而在实际应用中适宜的封装材料可以保护电池免受水分、氧化、污染物等环境因素的影响.因此,探究合适的柔性封装方案和电池性能的长期稳定性至关重要.本文利用电阻焊方法将制备好的柔性双结GaInP/GaAs太阳电池进行焊接,之后采用具有高透光性的薄膜材料和热熔胶与柔性电池进行层压封装并研究了其在恶劣储存条件下的性能稳定性和环境耐受性.研究结果表明,柔性封装太阳电池在1000 h以上的温度为85℃,相对湿度85%(85℃/85%RH)的湿热试验以及108次温度范围为-60℃-75℃的冷热循环老化试验后仍然保持了很好的稳定性,表明封装工艺对柔性太阳电池具有较好的保护作用.此外,基于二极管模型的电学仿真结果表明,柔性封装后电池性能的改变是由于载流子复合增强,从而降低了开路电压.

新型MIp^+-Al_(0.3)Ga_(0.7)As/p-n-n^+-GaAs太阳电池的设计与I-V特性理论分析

为充分利用太阳光的短波部分,将AlxGa1-xAs设计为电池的又一个光伏工作层,并引入固定负电荷,建立界面感应势垒,形成MIp+-AlGaAs感应结,有效降低界面对光生电子的复合。以制作工艺简单的p+-AlGaAs／p-GaAs界面,将感应结与p／n-GaAs部分连接起来,构成新型高效率复合结构MIp+-Al0.3Ga0.7As／p-n-n+-GaAs太阳电池。其I-V特性理论研究绐果表明,选择合适的负电荷面密度数和Al0.3Ga0.7As层的掺杂浓度,即:建立合适高度的感应势垒,可显著降低界面复合速度近8个数量级。优化设计得到的整个电池的效率为31.5％,较传统的窗口层电池有明显提高。

GaAs基Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池技术研究进展

GaAs太阳电池由于其性能优越,成为了光伏领域的发展重点。简单介绍了GaAs基Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池的应用和研究进展,并对其发展趋势进行了展望。

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.

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.

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。

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。

单结GaAs太阳电池连续激光辐照热损伤机理

开展了单结GaAs太阳电池808 nm、10.6μm连续激光辐照实验研究,结果显示,相同激光耦合强度下两种激光对电池的损伤模式相似,且随着激光耦合强度逐渐提高,电池最大输出功率呈现"阶梯"状下降。通过对比辐照过程中温升速率、温度峰值以及高温持续时间对损伤结果的影响,结合能谱仪和扫描电子显微镜的测量结果以及方差分析结果对损伤机理进行了分析和验证。认为高温导致GaAs分解、电极氧化是单结GaAs太阳电池性能退化的主因。

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。

色散效应对GaAs太阳电池双层减反射膜的影响

考虑双层减反射膜材料的折射率色散效应,采用光学干涉矩阵法计算了SiO2/ZnSe和SiO2/ZnS两种GaAs太阳电池双层减反射膜的反射率与波长的函数曲线,以及加权平均反射率随着顶层减反射膜SiO2厚度变化的函数曲线,并与未考虑色散效应的情况进行了对比.计算结果表明,色散效应对双层减反射膜的反射率有较大的影响,特别是对300～500nm波长范围的影响更大,且对不同材料的减反射膜的影响也是不同的.与未考虑色散效应的情况相比,考虑色散效应后,SiO2/ZnSe双层减反射膜的最小加权平均反射率从1.14%增加到1.55%,而SiO2/ZnS双层减反射膜的最小加权平均反射率却从1.49%减小到1.46%.

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 .

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。

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 。

量子阱GaAs太阳电池的质子辐射效应

用I-V特性、光谱响应和深能级谱分析辐射效应，分析了1×10^9～2×10^13cm^-2，2MeV质子辐照量子阱GaAs太阳电池．结果表明，随辐照注量增大，电池，Isc,Voc，Pmax衰降程度增加；相同的注量，Pmax衰降程度最大．当注量大于3×10^12cm^-2时，Isc衰降程度比Voc的大；当注量小于3×10^12cm^-2时，Voc衰降程度比Isc的大；在900～1000nm波长范围内，2×10^13cm^-2辐照使量子阱光谱响应特性消失．这与量子阱结构受到损伤引入位于Ec-0．35eV的深能级有关．

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.

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 .