準(zhǔn)備好進(jìn)入太空！ 三結(jié)太陽能電池在AM0光譜下的輻射抗性評估

【要點摘要】

本篇研究由 云南師范大學(xué) A. Aierken 等人發(fā)表。

• IMM三接面電池顯示出與標(biāo)準(zhǔn)LM電池相當(dāng)?shù)妮椛溆捕?/p>

• IMM電池在輻照后保持更好的電流匹配，這要歸功于輻射抗性的InGaAs底部子電池

• 具有高效率和輻射耐受性的IMM電池對于輕量、靈活的高功率太空太陽能陣列具有潛力

【背景】

格點匹配（LM）GaInP/GaAs/Ge三接面太陽能電池因其高達(dá)30%的轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)秀的輻射抗性而被廣泛應(yīng)用于太空能源系統(tǒng)。然而，子電池間的電流不匹配限制了進(jìn)一步的效率提高。使用GaInP/GaAs/InGaAs的倒置變形（IMM）三接面電池通過調(diào)節(jié)InGaAs底部電池的能隙，同時通過倒置生長過程減少缺陷，實現(xiàn)了更高的效率。在1太陽下，IMM電池的效率超過30%，在集中時可達(dá)到40%以上。此外，倒置基板去除的IMM結(jié)構(gòu)使得太陽能電池具有靈活和輕量的特性。盡管已展示出很高的初始效率，IMM三接面電池在廣泛應(yīng)用于太空之前，其輻射降解特性需要與傳統(tǒng)的LM設(shè)計進(jìn)行更好的理解。本研究旨在分析1MeV電子和10MeV質(zhì)子輻照對IMM三接面太陽能電池的影響。

【結(jié)果】

電性能降級

• 在3.16x10^10 MeV/g的劑量后，IMM電池的剩余Pmax分別為0.86（e-）和0.73（p+），而LM電池則分別為0.85（e-）和0.75（p+）

• 對于IMM電池，Isc的降解較小，而Voc的降解相似

• 暗I-V曲線顯示質(zhì)子輻照時反向飽和電流的增加較大

• 與先前報告的數(shù)值相比，兩種電池均表現(xiàn)出良好的輻射硬度

光譜性能和子電池分析

• 對于IMM電池，EQE主要在GaAs和InGaAs子電池中發(fā)生降解，而對于LM電池主要在GaAs子電池中發(fā)生

• 在輻照前，GaInP限制了IMM電池的電流，但在輻照后，InGaAs成為了限制因素

• 對于LM電池，在輻照前后，GaAs始終是限制性子電池

• 這表明IMM電池在輻照損傷后能夠更好地保持電流匹配

損傷系數(shù)和建模

• 獲得的相對電子與質(zhì)子損傷系數(shù)分別為IMM電池的3.11和LM電池的2.78

• 計算了擴(kuò)散長度損傷系數(shù)，顯示了InGaAs子電池的降解較大，符合預(yù)期

• 整體降解行為與基于位移損傷劑量建模的預(yù)測相符

【方法】

• 制作了IMM和LM GaInP/GaAs/InGaAs和GaInP/InGaAs/Ge三接面太陽能電池。

• 對電池進(jìn)行了1MeV電子和10MeV質(zhì)子的輻照，通量從1x10^14到1x10^15 e/cm2和等效位移損傷劑量。

• 測量了輻照前后的電壓-電流（I-V）曲線，以確定Isc、Voc和Pmax等電性參數(shù)的變化。

• 測量外量子效率（EQE）以分析個別子電池的光譜響應(yīng)和電流密度（Jsc）變化。

【結(jié)論】

本研究表明，IMM GaInP/GaAs/InGaAs三接觸太陽能電池展示出出色的輻射抗性，與傳統(tǒng)的LM GaInP/InGaAs/Ge電池相當(dāng)。在高通量電子和質(zhì)子輻照后，IMM電池顯示出超過73%的最大功率保留因子。詳細(xì)分析表明，盡管初始降解較高，變形的InGaAs底部電池提供了在末期條件下維持電流匹配所需的*韌性。所獲得的相對損傷系數(shù)使得能夠?qū)Ω鞣N粒子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)評估。擁有非常高的初始效率和有前景的輻射耐久性，IMM三接觸電池對于靈活、輕量級的陣列設(shè)計在未來太空任務(wù)中滿足不斷增長的功率需求具有吸引力。進(jìn)一步提升緩沖層質(zhì)量可能會提高IMM電池的輻射硬度。準(zhǔn)確評估輻射耐久性和性能需要模擬嚴(yán)苛的地外AM0光譜。為此，符合ASTM E927標(biāo)準(zhǔn)的太陽模擬器，如Enlitech的SS-ZXR可提供關(guān)鍵功能，包括1366 W/m2強度下2%均勻性的標(biāo)準(zhǔn)AM0光譜。氙弧燈光源緊密逼近太陽的5500K分布。此外，先進(jìn)的沉積AM0濾光片技術(shù)確保高光譜準(zhǔn)確性，可靠評估太空電池在其壽命期間推進(jìn)效率邊界。像SS-ZXR這樣的專用儀器將進(jìn)一步改善容忍度測試和特性化測試。

Fig. 3.（a）IMM太陽能電池和（b）LM太陽能電池在1 MeV電子和10 MeV質(zhì)子照射下I-V特性的降解。 （DDD = 3.16 × 1010 MeV/g）。

Fig. 7. IMM和LM太陽能電池EQE光譜在輻照下的降解