模擬太空太陽能電池質(zhì)子輻照 GaAs/Ge 太陽能電池缺陷的退火動力學(xué)

【重點摘要】

1. 太空輻射會對太陽能電池造成損傷,限制了衛(wèi)星的能力和壽命。要減輕這種損傷,需要研究輻射對太陽能電池的退化機(jī)制。

2. 高能粒子與原子核的相互作用會導(dǎo)致位移損傷和晶體缺陷。這些缺陷會成為載流子復(fù)合中心,極大影響少數(shù)載流子的生命周期,從而影響太陽能電池的電性能。

3. 少數(shù)載流子的生命周期對輻射缺陷極為敏感,隨著缺陷濃度的降低而增加。熱退火可以恢復(fù)半導(dǎo)體材料中的缺陷。

4. 該論文用150 keV質(zhì)子輻照 GaAs/Ge 太陽電池,然后在120°C下進(jìn)行退火。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著輻射通量的增加,退火后缺陷恢復(fù)的比例降低。少數(shù)載流子的生命周期隨著缺陷濃度的降低而增加,這意味著太陽能電池的電性能有所改善。

5. 通過數(shù)值模擬計算了缺陷濃度和少數(shù)載流子的生命周期,并用實驗結(jié)果建立了一個改進(jìn)的退火動力學(xué)方程。

太空輻射如何降低太陽能電池效率?

太空輻射造成的損傷會限制衛(wèi)星的使用壽命。近年來,科學(xué)家投入大量研究以了解輻射如何降低太陽能電池的效率。高能質(zhì)子與太陽能電池材料的原子核發(fā)生碰撞,會導(dǎo)致位移損傷和點缺陷。這些點缺陷成為載流子復(fù)合中心,加速正電洞與電子的再結(jié)合,縮短少數(shù)載流子的生命周期,最終降低太陽能電池的開路電壓與短路電流。因此,理解輻射損傷機(jī)制,開發(fā)更穩(wěn)定的太陽能電池材料對于提高衛(wèi)星任務(wù)壽命至關(guān)重要。

熱退火可部分恢復(fù)輻射損傷

由于太空任務(wù)的溫度條件往往高達(dá)100°C以上,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種高溫可促進(jìn)輻射損傷的恢復(fù)。使用150keV質(zhì)子輻照GaAs/Ge太陽電池,再在120°C下進(jìn)行退火。結(jié)果顯示,隨著輻射流量增加,退火后仍存留較多未恢復(fù)缺陷;而少數(shù)載流子生命周期的延長則顯示太陽電池效率有所提升。這為研發(fā)高溫太陽能電池提供了依據(jù)。

改進(jìn)退火動力模型預(yù)測太陽能電池性能

基于實驗數(shù)據(jù),該研究團(tuán)隊建立了一個改進(jìn)的退火動力學(xué)模型,可預(yù)測不同輻射損傷條件下的缺陷濃度。他們用此模型模擬了短路電流在退火過程中的變化情況,結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好。這為預(yù)測太空任務(wù)中太陽能電池?fù)p傷和效能衰減提供了基礎(chǔ)。

Enlitech SS-ZXR AM0 穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬器確實可通過其設(shè)計實現(xiàn)功能應(yīng)用于三五族太陽能電池的測試:

1. IV曲線測試

2. 光譜響應(yīng)測試

3. 溫度系數(shù)測試

4. 高能粒子輻照退火效應(yīng)研究

主要原因有:

1. SS-ZXR提供精確、穩(wěn)定的光強(qiáng)度輸出,滿足IV測試要求

2. 光源模塊可以控制光譜參數(shù),可進(jìn)行光譜響應(yīng)測試

3. 提供溫度控制平臺,可控制待測太陽能電池溫度

4. 光源強(qiáng)度和穩(wěn)定度足以用于輻照后的電池退火和性能評估實驗

所以SS-ZXR的各項功能和性能指標(biāo)都匹配三五族太陽能電池不同測試和表征實驗的要求,是一款非常適合的太陽光模擬光源產(chǎn)品。

圖2 150 keV質(zhì)子輻照GaAs/Ge太陽電池的I-V特征曲線

圖3 150 keV質(zhì)子輻照GaAs太陽電池的電性能和EQE:(a) VOC、JSC 和 Pmax 的退化;(b) EQE