太陽(yáng)電池組件高能電子輻射效應(yīng)研究

張永泰 ，秦 瑋，楊艷斌，于 強(qiáng)，姜海富，柴麗華

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094；2.北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院, 北京 100124）

太陽(yáng)電池組件高能電子輻射效應(yīng)研究

張永泰1，秦 瑋1，楊艷斌1，于 強(qiáng)1，姜海富1，柴麗華2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094；2.北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院, 北京 100124）

研究空間高能電子輻照對(duì)單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件短路電流、開(kāi)路電壓以及輸出功率的影響，分析了組件電性能退化機(jī)理。高能電子輻照造成單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件導(dǎo)線及環(huán)氧樹(shù)脂基板顏色加深；隨輻照注量的增加，單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件短路電流、開(kāi)路電壓以及輸出功率逐漸下降。當(dāng)電子注量達(dá)到1.0×1015e/cm2時(shí)，電池組件輸出功率下降到初始值的79.0 %。組件電性能的退化主要是電池輻照損傷所致。

電池組件；高能電子；短路電流；開(kāi)路電壓；輸出功率

引言

太陽(yáng)電池陣是航天器重要的供電系統(tǒng)，它將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化成電能，供給航天器的各個(gè)系統(tǒng)使用[1～3]?？臻g環(huán)境包括電子、質(zhì)子、原子氧、熱循環(huán)及空間碎片等，航天器在軌服役期間，位于艙外的太陽(yáng)電池陣將遭受空間環(huán)境的作用，導(dǎo)致其輸出功率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至造成整個(gè)電池陣的失效[4～6]。因此，有必要研究空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出特性的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于太陽(yáng)電池陣空間環(huán)境效應(yīng)的研究主要集中在材料級(jí)，組件級(jí)的報(bào)道較少。但由于組件級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋诱鎸?shí)地模擬電池陣的空間使用狀態(tài)，具有材料級(jí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，已越發(fā)引起人們的重視。

基于此，本文針對(duì)單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件開(kāi)展了高能電子輻照實(shí)驗(yàn)研究，分析了電池組件輸出特性的變化，對(duì)航天器用太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件（如圖1）由2片尺寸為40 mm×30 mm的太陽(yáng)電池片組成，電池片粘貼于環(huán)氧樹(shù)脂基板上。單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件輻照實(shí)驗(yàn)在高能電子加速器上進(jìn)行，加速器能產(chǎn)生高通量、高穩(wěn)定性電子束，用于材料及器件的空間電子輻射效應(yīng)研究。

試驗(yàn)前后，利用太陽(yáng)模擬器模擬AM0（大氣質(zhì)量為零的太陽(yáng)光譜分布），在1 353 W/m2，25 ℃的條件下，測(cè)試太陽(yáng)電池組件輻照前后的I-U輸出特性，測(cè)量值包括短路電流（Isc）、開(kāi)路電壓（Voc）和輸出功率（Pm）。采用Lambda950型紫外、可見(jiàn)光分光光度計(jì)，測(cè)試組件電池片反射光譜。采用光致發(fā)光光譜儀對(duì)組件電池片的熒光光譜（PL）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)用325 nm短波長(zhǎng)激光激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生熒光。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

電子輻照注量的選取以GEO軌道（高度36 000 km）衛(wèi)星15年的累積劑量為依據(jù)，GEO帶電粒子環(huán)境主要來(lái)源于輻射帶粒子和太陽(yáng)耀斑質(zhì)子。計(jì)算方法先通過(guò)軟件計(jì)算得到GEO帶電粒子的分布，其中輻射帶粒子采用AE8/AP8模型，太陽(yáng)質(zhì)子采用JPL91模型，然后將GEO軌道的帶電粒子環(huán)境等效為1 MeV電子的影響，并考慮電池表面玻璃蓋片對(duì)高能電子的衰減作用（計(jì)算選用玻璃蓋片厚度為90 μm）。圖1為輻射帶電子和質(zhì)子以及太陽(yáng)耀斑質(zhì)子的積分能譜。

通過(guò)計(jì)算可知15年GEO粒子環(huán)境對(duì)帶90 μm玻璃蓋片單結(jié)GaAs太陽(yáng)能電池的影響可以等效為1.0×1015e/cm2的1 MeV電子輻照對(duì)無(wú)蓋片單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的影響?？紤]到實(shí)驗(yàn)余量，選取如表1所示參數(shù)對(duì)電池組件進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 伏安特性曲線

圖3給出了實(shí)驗(yàn)前后單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件典型伏安特性曲線圖?？梢钥闯鲈? MeV電子輻照作用下，當(dāng)輻照注量達(dá)到1.3×1015e/cm2時(shí)，電池組件的短路電流和開(kāi)路電壓均出現(xiàn)明顯下降，曲線的彎曲程度減小，說(shuō)明電池組件性能發(fā)生了衰退。

2.2 宏觀形貌

電子輻照實(shí)驗(yàn)后，對(duì)電池組件宏觀形貌進(jìn)行了拍照，如圖4所示。通過(guò)與圖1對(duì)比，發(fā)現(xiàn)輻照前后電池片、互聯(lián)片外觀形貌及顏色沒(méi)有明顯變化，但導(dǎo)線及基板顏色加深。太陽(yáng)電池組件用導(dǎo)線和基板均是聚合物材料，高能電子輻照作用會(huì)造成聚合物材料分子鏈的斷鍵、交聯(lián)，影響材料表面官能團(tuán)種類(lèi)和數(shù)量，還會(huì)造成材料表面粗糙度的變化，從而影響材料的光學(xué)特性，導(dǎo)致其表面顏色改變[7,8]。

圖1 單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件

圖2 輻射帶電子和質(zhì)子以及太陽(yáng)耀斑質(zhì)子積分能譜圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖3 實(shí)驗(yàn)前后單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件伏安特性曲線

圖4 電子輻照前后單結(jié)GaAs電池組件外觀形貌

2.3 輸出特性變化

實(shí)驗(yàn)前后測(cè)試了電池組件短路電流、開(kāi)路電壓以及輸出功率數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了歸一化處理，如圖5所示。可以看出，電子輻照實(shí)驗(yàn)后，電池片的短路電流、開(kāi)路電壓以及輸出功率均發(fā)生了衰減，且隨著電子注量的增加，衰減幅度增大。當(dāng)電子注量達(dá)到1.0×1015/cm2時(shí)，電池輸出功率下降到初始值的79.0 %。

2.4 反射光譜

不同注量電子輻照時(shí)單結(jié)GaAs電池片的反射率變化如圖6所示?？梢钥闯鲭娮虞椪涨昂螅姵氐姆瓷渎首兓幻黠@。為提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，電池片表面一般鍍制減反射膜，材質(zhì)為T(mén)iO2、SiO2等。電子輻照前后電池片反射率結(jié)果表明不同注量電子輻照對(duì)單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池減反層的光學(xué)特性影響不大。

圖5 單結(jié)GaAs電池組件輸出特性隨電子注量的變化圖

圖6 太陽(yáng)電池光譜反射率變化圖

2.5 熒光光譜

PL測(cè)試是一種無(wú)損測(cè)試方法，可以快速、便捷地表征半導(dǎo)體材料缺陷、雜質(zhì)以及材料的發(fā)光性能。GaAs體材料光致發(fā)光效應(yīng)顯著，理論上純GaAs的激光波長(zhǎng)為840 nm[9]。

圖7為不同注量電子輻照后電池PL譜變化?？梢钥闯?，輻照前光譜在波長(zhǎng)為870 nm處有一個(gè)很強(qiáng)的峰，這是摻雜GaAs的特征峰。經(jīng)電子輻照后，隨著輻照注量的增加，GaAs特征峰強(qiáng)度越來(lái)越低，同時(shí)產(chǎn)生了紅移效應(yīng)，說(shuō)明GaAs晶體點(diǎn)陣的完整性受到了破壞，即有大量輻照缺陷產(chǎn)生。

圖7 太陽(yáng)電池PL譜

不同電子注量下GaAs電池的PL光譜變化與激子效應(yīng)相關(guān)。激子的有效波爾半徑Bα服從下式：

式中：

m0—電子靜質(zhì)量；

ε—相對(duì)介電常數(shù)；

由公式（1）計(jì)算可知，GaAs點(diǎn)陣中激子的波爾半徑約為10 nm，當(dāng)高能電子輻照時(shí)，電池晶格的完整性被破壞，波爾半徑增大。致使激子數(shù)量減小，電池光致發(fā)光峰強(qiáng)度降低，電子輻照注量的增大會(huì)加劇峰強(qiáng)下降的程度。

從圖7中可以看出，電子輻照后GaAs電池的光致發(fā)光峰位發(fā)生了紅移，這與GaAs內(nèi)部產(chǎn)生的大量晶格原子位移效應(yīng)有關(guān)。電子輻照時(shí)，一方面入射電子會(huì)通過(guò)碰撞，使晶格原子位移，稱(chēng)為初級(jí)位移；另一方面，初級(jí)位移原子又可以與其它原子碰撞，引發(fā)次級(jí)位移。原子位移效應(yīng)會(huì)形成許多空位-間隙對(duì)，擾亂了晶格的完整性，造成PL譜線紅移。

總之，輻照損傷是導(dǎo)致電子作用下單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件電性能退化的主要原因。電子輻照使電池點(diǎn)陣空間的完整性受到破壞，產(chǎn)生的激子數(shù)目減少，同時(shí)還引入了新的陷阱，致使電性能下降。

3 結(jié)論

1）高能電子輻照造成單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池組件導(dǎo)線及環(huán)氧樹(shù)脂基板顏色加深，電池片外觀無(wú)明顯變化。

2）高能電子輻照后，單結(jié)GaAs電池組件性能發(fā)生了衰退。隨電子輻照注量的增加，組件短路電流、開(kāi)路電壓以及輸出功率逐漸下降。當(dāng)電子注量達(dá)到1.0×1015e/cm2時(shí)，電池輸出功率下降到初始值的79.0 %。

3）高能電子輻照下單結(jié)GaAs電池的輻照損傷是造成太陽(yáng)電池組件電性能退化的主要原因。電子輻照破壞了電池點(diǎn)陣空間的完整性，產(chǎn)生的激子數(shù)目減少，產(chǎn)生了大量的輻照缺陷，引起電池組件電性能下降。

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Research on High Energy Electron Irradiation Effect of Solar Cell Modules

ZHANG Yong-tai1, QIN Wei1, YANG Yan-bin1, YU Qiang1, JIANG Hai-fu1, CHAI Li-hua2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing 100094;2. School of Materials Science & Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

This paper studies the high energy electron irradiation effect on short circuit current, open circuit voltage and output power of single junction GaAs solar cell modules, analyzes the degradation mechanism of modules. The results indicate that high energy electron irradiation makes wire and epoxy resin substrate darken after test. The short circuit current, open circuit voltage and output power are decreased with increasing electron fluence. The degradation of solar cell modules output power can reach to 79 % of the initial value in case of 1.0×1015e/cm2electron fluence. High energy electron irradiation damage effect leads to the electrical property degradation of GaAs solar cell modules.

solar cell modules; high energy electron; short circuit current; open circuit voltage;output power

TM 914.4

B

1004-7204（2017）05-0031-05

張永泰，1987年出生，主要從事航天器空間環(huán)境效應(yīng)研究。

姜海富，1980年出生，博士，高級(jí)工程師，主要從事航天器空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。