100 keV质子辐照InGaAs单结太阳电池性能退化机理研究

收稿日期：2021-11-23

基金项目：新疆电子信息材料与器件重点实验室资助项目（2021D04012）；国家自然科学基金（61534008）

通信作者：玛丽娅·黑尼（1987—），女，博士、助理研究员，主要从事光电器件辐射效应方面的研究。maliya@ms.xjb.ac.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1458 文章编号：0254-0096（2023）05-0146-06

摘 要：为研究太阳电池光电参数由低能质子辐照产生的辐射损伤机制，对In0.53Ga0.47As单结太阳电池开展100 keV 质子辐照及退火试验研究，分析太阳电池电参数和光谱响应在辐照及退火前后的变化规律，结合SRIM仿真计算结果对辐照引起的位移损伤进行讨论。结果表明，当质子辐照累积注量为5×1012 p/cm2时，In0.53Ga0.47As单结太阳电池的短路电流、开路电压和最大输出功率分别衰减到其初始值的88.8%、88.3%、72.3%；太阳电池光谱响应在短波区的衰减比长波区更严重。SRIM仿真结果表明，上述结果是由于100 keV的质子能量沉积在In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和基区顶部而产生位移损伤缺陷导致的。对辐照后的太阳电池样品进行150 ℃退火处理，太阳电池电学参数因辐射感生缺陷的湮灭而产生了不同程度的恢复。

关键词：太阳电池效率；质子辐照；辐射损伤；量子效率

中图分类号：TM914.4 " " 文献标志码：A

0 引 言

太阳电池是人造卫星等航天器正常运行的电力保障。但卫星在轨运行时，太阳电池暴露在恶劣的空间辐射环境中。随着空间任务的不断增加，对太阳电池提出了更高的要求（既要保障高功率密度比，同时也需较强的抗辐射能力）。在过去的十年里，高效三结GaAs太阳电池（～33% AM0 1sun）凭借轻质高效的优势［1-2］，一直是空间应用的首选。已有大量文献报道不同结构的单体三结太阳电池的辐射损伤情况［3-5］，研究结果认为提高GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的抗辐射能力的关键在于减小GaAs子电池的基区损伤［6］。

由于能带限制，三结GaAs太阳电池的效率已接近极限，亟待新一代电池的出现来满足空间应用的需求。近年来，GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs四结键合太阳电池实验室效率已高达46%（AM1.5 508 suns）［7］，有望成为下一代空间应用的首选，其辐射效应研究和抗辐射加固设计仍处于探索阶段。为深入研究四结键合太阳电池不同子电池对高能粒子辐照响应情况，在已有的研究工作中针对四结键合太阳电池中的薄弱环节（即GaAs子电池）比较了不同基区厚度的GaInP/GaAs双结太阳电池在1 MeV电子辐照后的退化情况［8］。四结键合太阳电池的GaInP/GaAs子电池GaAs基区厚度为400～600 nm，相比于传统三结太阳电池中的GaAs子电池基区厚度2700～3000 nm，表现出更强的抗辐射能力。文献［9］研究发现，InGaAsP/InGaAs子电池的退化是造成四结太阳电池退化的主要原因；文献［10］针对InGaAsP/InGaAs子电池开展了1 MeV电子的辐照研究，分析得出在InGaAsP/InGaAs双结太阳电池中InGaAs子电池的电池的退化比InGaAsP子电池更为严重，主要归因于InP组分和基区厚度的差异。

空间辐射粒子能谱中的低能质子辐照导致的太阳电池参数退化仍是行业内讨论的焦点［11-12］，本文选取GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs四结键合太阳电池的In0.53Ga0.47As子电池（0.74 eV），开展100 keV质子辐照效应及退火试验研究，对其位移损伤退化规律和损伤机理进行深入分析，以期为四结键合太阳电池的抗辐射加固设计提供数据及理论支撑。

1 实 验

1.1 样品制备

本文实验研究中的In0.53Ga0.47As单结太阳电池样品由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所提供，采用分子束外延技术（MBE）生长制备。太阳电池尺寸为2.5 mm×2.5 mm，其结构如图1所示。太阳电池发射区为n型重掺杂，厚度为200 nm，掺杂硅原子浓度为1×1018 cm-3；基区为p型掺杂，厚度为3000 nm，掺杂硼原子浓度为1×1017 cm-3；窗口层和背反射层分别选用30、50 nm的n型和p型InP材料来减少光生载流子复合；电池电极采用欧姆接触以降低其表面复合。

1.2 辐照及退火试验

本文中的质子辐照试验是在哈尔滨工业大学的空间综合辐照环境效应模拟器上完成的。选取入射质子能量为100 keV，注量率为1×108 p/cm2·s，当辐照注量累积至1×1012 p/cm2和5×1012 p/cm2时取出样品进行测试。质子辐照后退火试验是在中科院新疆理化技术研究所型号为LC-213的鼓风干燥箱中完成的。对质子辐照累积注量为5×1012 p/cm2的In0.53Ga0.47As单结太阳电池进行不同时间的退火试验，退火温度为150 ℃，在退火时间累积到20、60、120、180和360 min时将样品取出进行测试。

在辐照试验前后和退火处理后分别对In0.53Ga0.47As单结太阳电池的I-V特征参数（包括开路电压[Voc]、短路电流[Isc]、最大功率[Pmax]、填充因子[FF]、外量子效率[QEQE]）进行测试。电参数测试在室温25 ℃、AM0标准太阳光谱下进行。外量子效率测试中选用的波长扫描范围为800～1800 nm。

2 结果与讨论

2.1 粒子输运仿真

为研究质子辐照在太阳电池材料内部产生的损伤情况，本文用SRIM（stopping and range of ions in matter）仿真软件模拟105个100 keV质子在In0.53Ga0.47As单结太阳电池中的运动轨迹。计算结果表明，100 keV质子在该电池结构中的射程约为0.9 μm，可穿透电池窗口层和In0.53Ga0.47As发射区，大部分能量沉积在电池基区。图2为通过仿真获得的入射质子在In0.53Ga0.47As单结太阳电池中产生的空位缺陷密度，可看出100 keV质子辐照主要对In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和基区造成了位移损伤。这主要是由于大量入射质子与电池窗口层和发射区晶格原子相互作用，质子损失一部分能量，同时使得晶格原子离开原来的位置而造成位移损伤。随着入射深度的增加，大部分质子耗尽能量，沉积到电池基区。因此，质子辐照后，In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和基区损伤最为严重，随着质子辐照注量的增加，位移损伤缺陷浓度增加。

2.2 电参数退化情况

太阳电池I-V曲线直接反映太阳电池的性能，可直接得到太阳电池的开路电压[Voc]、短路电流[Isc]、最大输出功率[Pmax]和填充因子[FF]。通过计算可获取太阳电池的光生电流Iph、反向饱和电流[I0]、理想因子[n]、并联电阻[Rsh]和串联电阻[Rs]等参数信息。图3为In0.53Ga0.47As单结太阳电池100 keV质子辐照前后实测得到的I-V曲线变化情况。

考虑等效串联电阻和并联电阻的太阳电池电流［13］为：

[I=Iph-I0expν+IRSnVT-ν+IRsRsh] （1）

式中：[Rs]——等效串联电阻，Ω；[n]——修正的肖克莱二极管理想因子；[VT]——热电压，[VT=KT/q，]V；[Rsh]——等效并联电阻，Ω。

从图3可看出，经100 keV质子辐照后，In0.53Ga0.47As单结太阳电池所有电学参数均发生了退化，电池性能衰退。太阳电池的[Voc、Isc、Pmax、FF、Iph]和[Rsh]随质子辐照注量的增加不断降低，I0、Rs和n随注量的增加而增加。质子辐照累积注量分别为1×1012 p/cm2和5×1012 p/cm2时，太阳电池的[Isc]、[Voc]、[FF]、[Pmax]、[Iph]和[Rsh]的退化情况如表1、表2所示。质子辐照后太阳电池的[Pmax]和[Rsh]退化最严重。质子辐照累积注量分别为1×1012和5×1012 p/cm2时，太阳电池的[I0、Rs]和[n]分别为辐照前的1.4、1.2、1倍和6.7、1.4、1.1倍，In0.53Ga0.47As单结太阳电池在100 keV质子辐照后主要电参数随辐照注量的退化情况如图4所示。

从图2可看出，100 keV质子辐照在In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和基区顶部产生了大量的位移损伤缺陷，且随质子辐照注量的增加缺陷密度不断增加，电参数随质子注量的增加持续衰降。这是由于100 keV质子辐照 In0.53Ga0.47As单结太阳电池时，入射质子与太阳电池发射区与部分基区In0.53Ga0.47As材料发生库仑相互作用，这种库伦碰撞使得晶格原子（In、Ga和As）从入射质子中获得足够的能量离开原来的晶格位置，最终形成较大密度的空位型缺陷。这种位移损伤缺陷在In0.53Ga0.47As材料能带中引入新的缺陷能级，在材料禁带内将会起着复合、产生、捕获或散射中心的作用［14］，影响了太阳电池光生载流子的产生和输运，最终表现为In0.53Ga0.47As单结太阳电池电参数随辐照注量的增加发生退化。

In0.53Ga0.47As单结太阳质子辐照后短路电流[Isc]和光生电流[Iph]发生退化的原因有两个：质子辐照在太阳电池发射区和部分基区产生大量位移损伤缺陷，如图2所示。在In0.53Ga0.47As材料禁带引入深能级缺陷，增加了材料非辐射复合，即降低了少数载流子寿命，最终使得少数载流子扩散长度减小。因此，质子辐照影响了太阳电池光生载流子收集效率，使电池的[Isc]和[Iph]减小。

太阳电池中载流子扩散长度[L]与辐照注量的关系为：

[1L2ϕ=1L20+KLϕ] （2）

式中：[Lϕ]——辐照后少数载流子浓度，m-3；[L0]——辐照前少数载流子浓度，m3；[KL]——损伤系数；[ϕ]——质子辐照注量，p/cm2。

可看出，随着质子辐照注量的增加，少数载流子扩散长度减小。研究表明，粒子辐照也会导致太阳电池材料中多数载流子浓度的降低。质子辐照使In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和基区多数载流子浓度降低，导致太阳电池p-n结内建电场减小和电池串联电阻增大。太阳电池内建电场与多数载流子浓度的关系为：

[VD≈KBTqlnnn0pp0n2i] （3）

式中：[VD]——内建电场，V；[KB]——玻尔兹曼常数；[T]——温度，K；[nn0]——发射区多数载流子浓度，m-3；[pp0]——基区多数载流子浓度，m-3；[ni]——本征掺杂浓度，m-3。

从图3和表1可得In0.53Ga0.47As单结太阳电池质子辐照后电池开路电压[Voc]随质子注量的增加发生了退化。太阳电池的开路电压[Voc]为：

[VOC=KBTqlnIphI0+1] （4）

从式（4）可看出，太阳电池光生电流[Iph]和反向饱和电流[I0]共同影响了太阳电池开路电压的大小。位移损伤引入的非辐射复合中心降低了光生载流子浓度；另一方面，质子辐照在太阳电池发射区和部分基区引入的位移损伤缺陷增大了太阳电池空间电荷区两侧电子和空穴的复合几率，使漏电流增大，太阳电池串联电阻[Rsh]减小，导致电池反向饱和电流[I0]增大；最终，质子辐照使得太阳电池[Iph]的减小和反向饱和电流[I0]的增大使得电池开路电压[Voc]发生退化。

质子辐照后In0.53Ga0.47As单结太阳电池的填充因子[FF]、最大输出功率[Pmax]和理想因子[n]随质子注量的增加发生了退化。理想因子[n]值的增加是由于质子辐照引入的深能级缺陷引起太阳电池活性区内复合类型的增加所致。[FF]退化主要是因为太阳电池的[Isc]和[Voc]退化的影响，[FF]、[Isc]和[Voc]的共同作用退化了In0.53Ga0.47As单结太阳电池的[Pmax]。

2.3 外量子效率

图5为In0.53Ga0.47As单结太阳电池外量子效率（external quantum efficiency，EQE）随质子注量变化的情况，可看出随着质子注量的增加EQE退化，且短波区域的退化比长波区域更明显。研究表明，太阳电池光谱响应的退化与粒子辐照损伤区域有关，太阳电池发射区损伤对应EQE短波退化严重，基区损伤对应长波退化严重。由图2得知，100 keV质子辐照对In0.53Ga0.47As单结太阳电池的全部发射区和基区顶部造成位移损伤，EQE测试结果显示短波吸收部位退化较长波区域更为严重，与仿真结果基本一致。

2.4 辐照后退火试验

本文对质子辐照累积注量为5×1012 p/cm2的In0.53Ga0.47As单结太阳电池样品进行150 ℃的退火试验，累计退火时间共360 min。退火后太阳电池I-V曲线及归一化[Voc、Isc、Pmax]和[FF]的变化情况如图6所示，表3中给出了详细的数据。加温退火后，In0.53Ga0.47As单结太阳电池I-V曲线得到明显的恢复，且在退火时间为0～20 min内，太阳电池电参数恢复最明显，In0.53Ga0.47As单结太阳电池的[Voc、Isc、Pmax]和[FF]分别从辐照后的3.49 mA、0.28 V、0.637、0.624 mW提升到3.64 mA、0.29 V、0.658、0.692 mW。退火时间持续增加，In0.53Ga0.47As单结太阳电池的[Voc]、[Pmax]和[FF]趋于稳定，[Isc]在经360 min热退火后恢复约10%。

对质子辐照的In0.53Ga0.47As单结太阳电池进行150 ℃退火处理后，电参数发生明显的恢复。产生这种现象的原因主要有两个：1）质子辐照In0.53Ga0.47As单结太阳电池发射区和部分基区产生的大量位移损伤缺陷影响了电池光电转化效率。研究表明，热退火可降低GaAs基材料位移损伤型缺陷，提升材料的光学和电学性能［15］，本文认为150 ℃退火去除了In0.53Ga0.47As单结太阳电池中质子辐照产生的部分亚稳态位移损伤缺陷，因此改善了太阳电池光生载流子产生和输运效率，使得太阳电池电参数退火后恢复。2）150 ℃退火过程中，在太阳电池内部将会产生大量载流子，在此大量载流子作用下，部分质子辐照产生的位移缺陷将会湮灭［16］，使太阳电池光电性能得到恢复。

3 结 论

本文结合质子辐照及加温退火试验，借助SRIM仿真计算，研究In0.53Ga0.47As单结太阳电池100 keV低能质子辐照及加温退火对其性能的影响。研究结果表明，当质子辐照注量累积至5×1012 p/cm2时，太阳电池的[Isc、Voc、FF]和[Pmax]分别衰降11.2%、11.7%、8%、17.7%。由于全部太阳电池发射区受到了低能质子造成的位移损伤，影响了光生载流子的产生和输运效率，太阳电池光谱响应短波区域较长波区域退化更明显。辐照后150 ℃退火处理后，在20 min内太阳电池电参数有较明显的恢复。经分析认为辐照引入的位移缺陷在高温下的湮灭及载流子注入退火效应是太阳电池性能恢复的主要原因。

［参考文献］

［1］ 马大燕， 陈诺夫， 付蕊， 等. GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳电池设计与优化［J］. 太阳能学报， 2018， 39（2）： 550- 557.

MA D Y， CHEN N F， FU R， et al. Design and optimization of inverted metamorphic GaInP/GaAs/InGaAs triple junction solar cell［J］. Acta energiae solaris sinica， 2018， 39（2）： 550-557.

［2］ 刘冠洲， 毕京锋， 李明阳， 等. 多结太阳电池减反射膜的优化［J］. 太阳能学报， 2017， 38（2）： 323-327.

LIU G Z， BI J F， LI M Y， et al. Optimization of anti-reflection" film" "for" "multi-junction" "solar" "cell［J］." Acta energiae solaris sinica， 2017， 38（2）： 323-327.

［3］ LI J， AIERKEN A， ZHUANG Y， et al. 1 MeV electron and 10 MeV proton irradiation effects on inverted metamorphic GaInP/GaAs/InGaAs triple junction solar cell［J］. Solar energy materials and solar cells， 2021， 224： 111022.

［4］ 张延清， 周佳明， 刘超铭， 等. 柔性倒置赝型三结太阳电池高能质子辐射效应研究［J］. 原子能科学技术， 2021， 55（12）： 8.

ZHANG Y Q， ZHOU J M， LIU C M， et al. High energy proton radiation effect on flexible thin-film inverted metamorphic" triple" junction" solar" cell［J］. Atomic energy science and technology， 2021， 55（12）： 2216-2223.

［5］ 高欣， 杨生胜， 冯展祖， 等. 空间三结砷化镓太阳电池位移损伤效应研究［J］. 太阳能学报， 2020， 41（2）： 290-295.

GAO X，YANG S S，FENG Z Z， et al. Design and optimization of inverted metamorphic GaInP/GaAs/InGaAs triple junction solar cell［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（2）： 290-295.

［6］ IMAIZUMI M， NAKAMURA T， TAKAMOTO T， et al. Radiation degradation characteristics of component sub-cells in inverted metamorphic triple-junction solar cells irradiated" "with" "electrons" "and" "protons［J］." Progress" "in photovoltaics research and applications， 2017， 25（2）： 161-174.

［7］ GREEN M， DUNLOP E， BINGER J H， et al. Solar cell efficiency tables （version 57） ［J］. Progress in photovoltaics research applications， 2021， 29（1）： 3-15.

［8］ HEINI M， AIERKEN A， LI Z H， et al. Changes in output parameters of 1 MeV electron irradiated upright metamorphic GaInP/GaInAs/Ge triple junction solar cell［J］. AIP advances， 2018， 8（10）： 105022.

［9］ DAI P， JI L， TAN M， et al. Electron irradiation study of room-temperature wafer-bonded four-junction solar cell grown by MBE［J］. Solar energy materials and solar cells， 2017， 171： 118-122.

［10］ ZHAO X F， HEINI M， SAILAI M， et al. 1-MeV electron irradiation effects on InGaAsP/InGaAs double-junction solar cell and its component subcells［J］. Science China information sciences， 2017， 60（12）： 120403.

［11］ SALZBERGER M， NÖMAYR C， LUGLI P， et al. Degradation fitting of irradiated solar cells using variable threshold energy for atomic displacement［J］. Progress in photovoltaics， 2017， 25（9）： 773-781.

［12］ ZHENG Y， YI T C， WANG J L， et al. Radiation damage analysis of individual subcells for GaInP/GaAs/Ge solar cells using photoluminescence measurements［J］. Chinese physics letters， 2017， 34（2）： 026101.

［13］ 万松， 徐林， 刘锋， 等. 一种适用于太阳模拟器的太阳电池串联电阻提取算法［J］. 太阳能学报， 2013， 34（4）： 653-658.

WAN S， XU L， LIU F， et al. Series resistance extraction method" "for" "solar" "simulator［J］." Acta" "energiae" "solaris sinica， 2013， 34（4）： 653-658.

［14］ ZHUANG Y， AIERKEN A， LEI Q Q， et al. Optoelectronic performance analysis of low-energy proton irradiation and post-thermal annealing effects on InGaAs solar cell［J］. Frontiers in physics， 2020， 8（11）： 585707.

［15］ YAMAGUCHI M， OKUDA T， TAYLOR S J， et al. Superior radiation-resistant properties of InGaP/GaAs tandem solar cells［J］. Applied physics letters， 1997， 70（12）： 522548.

［16］ NARANJO F B， SÁNCHEZ-GARCÍA M A， CALLE F， et al. Strong localization in InGaN layers with high In content grown" by" molecular-beam" "epitaxy［J］." Applied" physics letters， 2002， 80（2）： 231-233.

STUDY ON DEGRADATION MECHANISM OF 100 keV PROTON IRRADIATED InGaAs SINGLE JUNCTION SOLAR CELLS

Maliya·Heini1，Chen Xinyun2，Lei Qiqi1，Aierken·Abuduwayiti 2，Li Yudong1，Guo Qi1，He Chengfa1

（1. Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices， Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments of Chinese Academy of Sciences， Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry of Chinese Academy of Sciences，

Urumqi 830011， China；

2. School of Energy and Environment Science， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract：In order to study the radiation damage mechanism of solar cell photoelectric parameters caused by low-energy proton irradiation， 100 keV proton irradiation and annealing experiments were carried out for In0.53Ga0.47As single junction cells. The variation laws of solar cell electrical parameters and spectral response before and after irradiation and annealing were analyzed. Based on the SRIM simulation results， the displacement damage caused by irradiation was discussed. The results shows that when the proton irradiation cumulative fluence up to 5 ×1012 p/cm2， the short-circuit current， open circuit voltage and maximum output power of In0.53Ga0.47As cell degraded to 88.8%， 88.3% and 72.3% respectively； The attenuation of solar cell spectral response in short wave region is more serious than that in long wave region. SRIM simulation results shows that these are caused by displacement damage defects due to the deposition of 100 keV proton energy on the emission region and top of the base region of In0.53Ga0.47As cell. The irradiated samples were annealed at 150 ℃， and the electrical parameters of samples were restored due to the annihilation of radiation-induced defects.

Keywords：solar cells； proton irradiation； radiation damage； quantum efficiency