李占行， 艾爾肯·阿不都瓦衣提， 瑪麗婭·黑尼，方 亮， 高 偉， 高 慧， 孟憲松， 郭 旗

(1. 中國科學院新疆理化技術(shù)研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室，新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中國電子科技集團公司第十八研究所, 天津 300381)

1 MeV電子輻照下晶格匹配與晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池輻射效應研究

李占行1,2， 艾爾肯·阿不都瓦衣提1*， 瑪麗婭·黑尼1，方 亮3， 高 偉3， 高 慧3， 孟憲松3， 郭 旗1

(1. 中國科學院新疆理化技術(shù)研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室，新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中國電子科技集團公司第十八研究所, 天津 300381)

對采用MOCVD方法制備的晶格匹配(LM)與晶格失配(UMM)GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池進行了1 MeV電子輻射效應研究。結(jié)果表明：在電子輻照下，兩種電池的I-V特性參數(shù)(開路電壓Voc，短路電流Isc，最大輸出功率Pmax)均發(fā)生衰降，且晶格失配電池的I-V特性參數(shù)衰降均大于晶格匹配電池。在光譜響應方面，對于頂電池，晶格匹配電池的衰降大于晶格失配電池；而中間電池則前者衰降小于后者；另外，Ge底電池的光譜響應表現(xiàn)特殊，輻照后光譜響應變強。

輻射效應； 輻照退化； 晶格匹配； 晶格失配； 三結(jié)太陽電池

1 引 言

空間環(huán)境有著豐富的太陽能資源，地球每年接收太陽能總量為1×1018kWh[1]，是各類空間飛行器的主要能量來源。空間飛行器工作在非常復雜的空間輻射環(huán)境中?？臻g輻射主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射以及圍繞地球的內(nèi)、外范·艾倫輻射帶等。復雜的空間輻射環(huán)境往往會對飛行器的電子設備造成嚴重破壞，太陽電池陣列也相同。為了保證空間飛行器能夠穩(wěn)定、可靠、長壽命地運行，開展空間用太陽電池的輻射效應研究具有重要的意義[2]。

Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的禁帶寬度變化范圍在0. 7 ～3. 4 eV,幾乎覆蓋了整個太陽光譜[3]，再加上多結(jié)疊層的結(jié)構(gòu)，使其在太陽電池方面具有很大的應用潛力[4]。目前工藝較為成熟的量產(chǎn)多結(jié)空間太陽電池多是采用正向生長、晶格匹配的結(jié)構(gòu)[5-6]，平均光電轉(zhuǎn)換效率可達29.8%。轉(zhuǎn)換效率更高的是反向生長三結(jié) (IMM-3J)、四結(jié)(IMM-4J)晶格失配太陽電池，目前尚處于研制過程中。

在輻射效應研究方面，國內(nèi)早進行過GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的電子輻照試驗，發(fā)現(xiàn)GaAs中間電池在3個子電池中的抗輻照性能最差[7]，并且GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的低能質(zhì)子輻照試驗結(jié)果也表明GaAs中間電池在電特性的退化方面起主要作用[8]。通過不同質(zhì)子能量下GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的輻照試驗，研究了調(diào)整非電離能損值NIEL的計算方法對估算質(zhì)子輻照產(chǎn)生的輻照退化的影響[9]。國外也做過很多相關(guān)方面的研究，如Sato 等通過仿真和實驗相結(jié)合的方法研究了低能和高能質(zhì)子輻照下GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池的退化情況[10]，得出了比較有意義的結(jié)果。

空間輻射環(huán)境中材料晶格受高能粒子輻照而產(chǎn)生的位移損傷對太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的退化起主要作用。目前，有兩種類型的太陽電池在空間使用方面具有較高的潛力，分別為晶格匹配類型的太陽電池與晶格失配類型的太陽電池。對于GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池，若滿足晶格匹配條件，在生長過程中產(chǎn)生的晶格缺陷較少，但是GaInAs中間電池的短路電流比與其串聯(lián)的GaInP頂電池和Ge底電池偏小[11]，三結(jié)電池的短路電流受到GaInAs中間電池的制約，造成各子電池的短路電流不匹配，進而影響太陽電池的轉(zhuǎn)化效率。如果優(yōu)先滿足電流匹配的條件，卻又無法同時滿足晶格匹配。雖然可以通過生長緩沖層的方法來減少電池生長過程中缺陷的產(chǎn)生來獲得較大的初始轉(zhuǎn)化效率，但是在空間輻射條件下會產(chǎn)生相對較多的晶格缺陷，使轉(zhuǎn)化效率的退化變得很嚴重。因此為了同時滿足太陽電池高效率和耐輻照的雙重要求，對比研究晶格匹配電池和晶格失配電池的輻射效應具有重大意義。

本文對晶格匹配的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01-As/Ge三結(jié)太陽電池和晶格失配的Ga0.43In0.57P/Ga0.92In0.09AS/Ge三結(jié)太陽電池同時進行電子輻照試驗，研究輻照前后其電學參數(shù)和光譜響應參數(shù)的變化情況，為進一步揭示太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率的輻射退化機理提供實驗依據(jù)。

2 實 驗

實驗樣品為通過AIXTRON 2800G MOCVD設備生產(chǎn)的三結(jié)太陽電池片。分別為晶格匹配(LM)的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge三結(jié)太陽電池和晶格失配的(UMM)Ga0.43In0.57P/Ga0.92-In0.08As/Ge三結(jié)太陽電池，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括Ga0.51In0.49P頂電池、Ga0.99In0.01P中間電池、Ge底電池，各子電池間通過隧道結(jié)形成歐姆接觸，并且三結(jié)電池均通過前表面接觸和背接觸來減少表面復合。晶格失配電池結(jié)構(gòu)基本相同，最大區(qū)別在于Ga0.92In0.08As中間電池和Ge底電池間增加若干層漸變緩沖層。

圖1 電池基本結(jié)構(gòu)圖, (a)晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99-In0.01As/Ge三結(jié)太陽電池；(b) 晶格失配Ga0.51-In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge三結(jié)太陽電池。

Fig.1 Basic structure of solar cells. (a) Lattice matched GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell. (b) Upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell.

電子輻照試驗在中國科學院新疆理化技術(shù)研究所的ELV-8型電子加速器上完成。電子輻照在室溫下進行，電子能量選取為1 MeV、輻照通量為1.0×1011e/(cm2·s)；垂直輻照樣品。分別測試了輻照前和輻照注量分別為5.0×1014，1.0×1015，1.5×1015e/cm2時，樣品的I-V特性參數(shù)(開路電壓Voc，短路電流Isc，最大輸出功率Pmax)和光譜響應參數(shù)。其中I-V特性參數(shù)的測試是在AM0和室溫條件下，通過太陽模擬器(Spectrosun X25A)測得的。光譜響應的測試條件是：室溫下，頂電池的波長掃描范圍為320～750 nm，中間電池為500～1 100 nm，底電池為800～1 800 nm；測底電池EQE時，對其加正向偏壓0.9 V，使底電池處于短路狀態(tài)。

3 實驗結(jié)果

圖2、3、4分別為歸一化的開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax隨輻照注量的退化曲線。

可以得出：無論是晶格匹配電池還是晶格失配電池，其開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax的退化程度都隨輻照注量的增加而增大，并且開路電壓Voc的衰降程度要大于短路電流Isc。晶格匹配電池的開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax參數(shù)的衰降程度均要小于晶格失配電池。

圖5、圖6分別為輻照前后晶格匹配和晶格失配電池的光譜響應退化圖。

圖2 晶格匹配與晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池歸一化的Voc隨輻照注量的變化

Fig.2 NormalizedVocvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

圖3 晶格匹配與晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池歸一化的Isc隨輻照注量的變化

Fig.3 NormalizedIscvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

圖4 晶格匹配與晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池歸一化的Pmax隨輻照注量的變化

Fig.4 NormalizedPmaxvalue of lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells irradiated by 1 MeV electrons with various fluences

圖5 輻照前和1.5E15e/cm2注量1 MeV電子輻照后的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池的歸一化光譜響應比較

Fig.5 Spectral response curves of lattice matched GaInP/GaInAs/Ge cells before irradiation and after 1.5E15e/cm2irradiation, respectively.

圖6 輻照前和1.5E15注量1 MeV電子輻照后晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池歸一化光譜響應比較

Fig.6 Spectral response curves of upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge cells before and after 1.5E15e/cm2irradiation, respectively.

由光譜響應退化圖線可以得出：這兩種電池的外量子效率EQE均發(fā)生了不同程度的衰降，并且中間電池的衰降程度最大，是限制三結(jié)太陽電池抗輻照性能的關(guān)鍵因素。對于GaInP頂電池和GaInAs中間電池，當電子注量達到1.5×1015e/cm2時，GaInP頂電池光譜響應強度的退化主要發(fā)生在520～690 nm之間；GaInAs中間電池的光譜響應強度的退化也主要發(fā)生在520～690 nm之間，同樣為長波方向。這兩種子電池的光譜響應在其短波方向基本不發(fā)生衰降。晶格匹配電池Ga0.51In0.49P頂電池光譜響應退化程度要大于晶格失配電池Ga0.43In0.57P頂電池，而中間電池則表現(xiàn)相反。至于Ge底電池，其光譜響應均表現(xiàn)為輻照后增強。

4 分析與討論

隨電子輻照注量增加，無論是晶格匹配還是晶格失配GaInP/GaInAs/Ge太陽電池，其開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax的退化都隨電子輻照注量的增加而增大。這是因為電子輻照樣品時，會將能量以庫倫散射碰撞的形式傳遞給晶格，在晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，如空位、填隙原子等，即位移損傷效應[12-13]。這些缺陷破壞了晶格的完整性，在太陽電池內(nèi)部起著復合、產(chǎn)生、陷阱或散射中心的作用，對載流子的產(chǎn)生和輸運過程產(chǎn)生影響[14]，例如促進光生載流子復合、降低光生載流子濃度、降低少子壽命、縮短擴散長度等。隨著輻照注量的增加，通過碰撞在太陽電池能部產(chǎn)生的缺陷數(shù)目快速增加，從而導致電學參數(shù)的退化急劇變大。

在相同的電子能量、輻照通量和注量情況下，晶格匹配電池的I-V特性參數(shù)的衰退程度要小于晶格失配電池。對于短路電流Isc和開路電壓Voc，這兩種電池的退化程度相差不是很大；而對于最大輸出功率Pmax，當電池經(jīng)受較大注量(1.5×1015e/cm2)時，晶格失配電池的退化程度要較大于晶格匹配類型的電池。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是UMM類型的Ga0.43-In0.57P/Ga0.92In0.09As/Ge電池中的GaInAs中間電池和Ge底電池之間由于晶格常數(shù)相差較大，導致晶格失配。雖然在電池的生長過程中通過引入緩沖層的方法可以減少缺陷、位錯的產(chǎn)生，但是在電子輻照下，失配界面處仍會更容易地產(chǎn)生較多的缺陷。缺陷作為非輻射復合中心同樣會促進光生電子空穴對的復合，減小載流子的擴散長度，降低少數(shù)載流子的壽命[15]，導致太陽電池的I-V特性產(chǎn)生較大退化。

對于短路電流Isc和開路電壓Voc，當輻照注量達到1.5×1015e/cm2時，晶格匹配電池Voc、Isc的衰降分別達到10.49%和6.61%；晶格失配電池Voc、Isc的衰降分別達到11.42%和9.60%。 對于短路電流，衰降的原因主要是在基區(qū)和發(fā)射極產(chǎn)生的損傷，尤其是基區(qū)。產(chǎn)生在基區(qū)和發(fā)射區(qū)的缺陷作為非輻射復合中心，使光生電子-空穴對來不及到達結(jié)區(qū)被分開就已經(jīng)發(fā)生了復合[16]。而對于開路電壓，則主要是結(jié)區(qū)損傷的影響。

(1)

式中，KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，Iph為光生電流，I0為二極管反向飽和電流。輻照感生缺陷在結(jié)區(qū)產(chǎn)生時，能夠作為復合中心，導致反向飽和電流I0增加，使開路電壓Voc發(fā)生退化。

實驗結(jié)果表明：無論是晶格匹配還是晶格失配的GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池，在1 MeV電子輻照下產(chǎn)生的缺陷對結(jié)區(qū)的影響要大于基區(qū)，而開路電壓Voc的退化程度要明顯大于短路電流Isc[17]。

在1 MeV電子輻照下，兩種類型太陽電池的光譜響應均發(fā)生衰降，這同樣是輻照感生缺陷的大量產(chǎn)生引起的。兩類電池都是中間電池光譜響應的退化最為嚴重，充分說明提高中間電池的抗輻照性能是保證三結(jié)太陽電池抗輻照性能的關(guān)鍵因素。1 MeV電子輻照主要對各子電池的基區(qū)和結(jié)區(qū)造成損傷，對發(fā)射結(jié)的影響微乎其微，表現(xiàn)為子電池的光譜響應只在長波方向上發(fā)生衰降。

晶格失配電池頂電池中的In組分要大于晶格匹配電池。相較于構(gòu)成該三結(jié)電池的其他元素，In的遷移能(Vin=0.26 eV)較小[18]，導致輻照感生缺陷更易通過退火而消失。

晶格匹配電池Ga0.99In0.01As中間電池的光譜響應的衰降程度相比晶格失配電池Ga0.92In0.09As中間電池的變化略小。Ge底電池與中間電池間由于晶格常數(shù)的失配，致使該兩種子電池的界面處在電子輻照下更易產(chǎn)生大量的缺陷。這些輻照感生缺陷和晶格失配電池中間電池中較高的In元素含量的綜合作用產(chǎn)生了圖5及圖6的結(jié)果。

Ge底電池輻照后與輻照前相比，光譜響應反而增強。這種情況被稱為量子效率測量失真(Artifact external quantum efficiency)，在Ge底電池光譜響應測量中經(jīng)?？梢杂^察到[19-20]。

通過輻照前后光譜響應的退化可以看出：1 MeV電子輻照產(chǎn)生的缺陷主要位于結(jié)區(qū)或基區(qū)。由于存在晶格失配情況和In元素含量不同因素的綜合作用，晶格失配太陽電池頂電池光譜響應退化小于晶格匹配電池；晶格失配太陽電池中間電池的光譜響應退化要略大于晶格匹配中間電池。而Ge底電池則觀測到了量子效率測量失真的現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

綜上所述，在1 MeV電子輻照下，無論是晶格匹配還是晶格失配GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池，中間電池是限制其抗輻照能力提升的關(guān)鍵因素。I-V特性和光譜響應均發(fā)生了不同程度的衰降是輻照感生缺陷大量產(chǎn)生造成的。在1 MeV電子輻照下，損傷主要在子電池的結(jié)區(qū)和基區(qū)產(chǎn)生，且結(jié)區(qū)的損傷更為嚴重，表現(xiàn)為開路電壓的退化大于短路電流。子電池光譜響應主要在長波方向發(fā)生退化。子電池間晶格失配因素和In元素含量不同導致晶格失配電池的頂電池的光譜響應退化小于晶格匹配電池，但在中間電池上則是晶格失配電池光譜響應退化相對較大。Ge底電池的光譜響應輻照后變強的特殊情況是量子效率測量失真引起的。實驗結(jié)果表明，晶格失配電池雖然在電學特性衰退上更嚴重，但整體抗輻照性能并未顯著降低，同時具有高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點，在空間應用方面表現(xiàn)出了更大的潛力。

致謝:感謝中國電子科技集團第十八研究所提供樣品和在測試方面的幫助。

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李占行(1992-)，男，河北邢臺人，碩士研究生，2014年于河北工業(yè)大學獲得學士學位，主要從事多結(jié)疊層太陽電池輻射效應的研究。

E-mail: 1183419133@qq.com.艾爾肯·阿不都瓦衣提(1972-)，男，新疆阿克蘇人，博士，研究員，2008年于芬蘭阿爾托大學獲得博士學位，主要從事半導體材料、新型光伏材料和器件、光電材料及器件輻射效應等方面的研究。

E-mail: erkin@ms.xjb.ac.cn

Radiation Effects of Lattice Matched and Upright Metamorphic GaInP/GaInAs/Ge Triple-junction Solar Cells by 1 MeV Electrons

LI Zhan-hang1,2, Aierken ABUDUWAYITI1*, Maliya HEINI1, FANG Liang3, GAO Wei3, GAO Hui3, MENG Xian-song3, GUO Qi1

(1.XinjiangKeyLaboratoryofElectronicInformationMaterialsandDevices,KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesforSpecialEnvironmentsofChineseAcademyofSciences,XinjiangTechnicalInstituteofPhysics&Chemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.TanjinLantianSolarTech.Co.,Ltd.,Tianjin300381,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:erkin@ms.xjb.ac.cn

In order to obtain the space solar cells which meanwhile satisfy the requirements of radiation resistance and high efficiency, the research on the radiation effects of solar cells in space is of great significance. 1 MeV electron irradiation effects on the lattice matched and upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cells were investigated for the fluence range from 5×1014e/cm2-1.5×1015e/cm2, and the irradiation flux of 1.0×1011e/(cm2·s) was investigated. The damage effects in the solar cells were studied by measuring their electrical properties and spectral response together. It is observed that the electrical parameters (Voc,Isc,Pmax) of both solar cells degrade seriously, and the degradation of upright metamorphic solar cell is higher than lattice matched cell. As to the spectral response results, the GaInP top cell of lattice matched solar cell degrades more than upright metamorphic solar cell, but the GaInAs middle cell of lattice matched solar cell degrades less than upright metamorphic solar cell. Besides, the spectral response result of Ge bottom cell shows very special in both solar cells: it becomes stronger after radiation. This is mainly in that the irradiation can produce displacement damage in the crystal lattice, and the irradiation defects as recombination center can decrease the carrier lifetime， diffusion lengthetc., and then affect the electrical properties of the solar cells.

radiation effects; radiation degradation; lattice matched; upright metamorphic; triple-junction solar cell

1000-7032(2017)04-0463-07

2016-10-10；

2016-12-01

中組部千人計劃新疆專項； 國家自然科學基金(11275262,61534008)資助項目 Supported by Xinjiang Special Project of Thousand Talents Program of The Central Organization Department; National Natural Science Foundation of China(11275262,61534008)

TN304.2+3; O475

A

10.3788/fgxb20173804.0463