倒置生长赝形四结太阳电池高能电子辐照损伤效应与机理

摘要

倒置生长赝形四结(IMM4J)太阳电池基于光谱匹配的设计原则采用了倒置外延生长晶格失配工艺手段，有效的减少了空间用晶格匹配正向生长三结电池各个子电池间光电流失配产生的能量损失，显著提高了光电转换效率，成为目前空间高效多结太阳电池的主要研究方向。本文充分利用电池光特性、暗特性、光谱响应(EQE)、荧光光谱(PL)等分析手段，对天津18所和上海811所研制的IMM4J、IMM3J及其子电池的1MeV电子辐照损伤规律进行系统研究，深入分析其辐照损伤效应与损伤机理，以及辐照后电性能的退火恢复效应，为空间太阳电池的选材、带隙调整、工艺优化及在轨可靠服役提供技术支持和改进方向。
　　研究结果表明，1MeV电子辐照后两种新型InGaAs(1.0eV)和InGaAs(0.7eV)电池的电学性能(P=Isc/Voc/Pmax)均遵循P=1-cplog(1+φ/φ0)的退化规律，并确定了不同子电池的特征退化参数，其中 InGaAs(1.0eV)子电池的 Isc退化率cIsc最大，而InGaAs(0.7eV)子电池的Voc退化率cVoc最大。为说明退化机理，首先建立了在小注入条件下PL信号强度的变化?IPL与有效载流子寿命的变化??eff的等效模型，揭示出辐照后InGaAs(1.0eV)子电池?eff的退化幅度更大是导致其Isc退化更快的根本原因。同时，基于太阳电池短路电流的分区少子收集模型，揭示出辐照深能级缺陷引入及少子扩散长度损伤是电池短路电流退化的根本原因，并确定了1MeV电子辐照下InGaAs(1.0eV)、InGaAs(0.7eV)和GaAs电池的少子扩散长度损伤系数 KL分别为4.68×10-7、1.57×10-7和2.67×10-7，缺陷引入率K?分别为1.85×10-12cm、1.02×10-12cm和1.19×10-12cm，定量表明了InGaAs(1.0eV)辐照损伤退化行为更为显著。基于PN结内建电压特征，阐明开路电压辐照退化与结区及近结区的多数载流子去除直接相关，建立了退化模型，由此确定了1MeV电子辐照下 InGaAs(1.0eV)、InGaAs(0.7eV)子电池的多子去除率αn为4.42×10-15cm2、4.35×10-16cm2。论文还通过研究辐照后两种 InGaAs子电池暗特性，揭示了电池串联电阻、并联电阻和暗电流退化规律及其与光特性参数的关系。
　　1MeV电子辐照IMM3J和IMM4J电池结果表明，光谱匹配的IMM系列多结电池与晶格匹配的正向电池类似，其电学性能仍然遵循 P=1-cplog(1+φ/φ0)的退化模型。IMM3J电池Isc的退化速率与InGaAs(1.0eV)子电池的结果一致，表明 InGaAs(1.0eV)子电池抗辐照性能较差，是其 Isc退化的控制子电池；IMM4J电池 Isc的退化速率与 InGaAs(0.7eV)子电池的结果一致，表明 InGaAs(0.7eV)子电池是IMM4J电池Isc退化的控制子电池。针对所研究的IMM4J电池，基于光谱响应分析发现外延工艺及结构因素是 InGaAs(0.7eV)子电池的光电流绝对值过低的主要原因，提出了通过调整组成子电池的禁带宽度、增加背场反射层和布拉格反射器以及减小外延缺陷的优化方向。从辐射稳定性看，IMM4J电池中InGaAs(1.0eV)子电池抗辐照能力最差，提出了根据辐照条件调整带隙分配、降低工艺原生缺陷等方法进一步优化性能途径。
　　1MeV电子辐照后 InGaAs(1.0eV)和 InGaAs(0.7eV)子电池退火效应研究，获得了在60~180℃区间两种InGaAs子电池随退火时间、退火温度的恢复规律，并建立 Isc与辐照缺陷变化规律的等效模型，确定了试验温度范围内InGaAs(1.0eV)和 InGaAs(0.7eV)子电池的1MeV电子辐照缺陷退火激活能分别为0.58eV和0.30eV。IMM4J电池辐照后退火效应的研究表明，Isc恢复规律与限流子电池 InGaAs(0.7eV)一致；Voc恢复程度小于单结 InGaAs(1.0eV)和InGaAs(0.7eV)子电池，GaInP和 GaAs子电池在此温度区间内的退火效应弱于InGaAs(1.0eV)和InGaAs(0.7eV)子电池。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 空间太阳电池的发展概况

1.3 高效多结太阳电池研究现状

1.4 太阳电池辐照损伤效应研究现状

1.5 太阳电池辐照损伤机理研究现状

1.6 太阳电池在轨评价理论和方法

1.7 空间太阳电池退火效应研究

1.8 本文的研究目的和主要内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及辐照方案

2.3 光电性能测试设备及分析方法

2.4 退火设备及工艺参数

第3章 In1-xGaxAs子电池高能电子辐照损伤效应与机理分析

3.1 In1-xGaxAs子电池高能电子辐照损伤效应

3.2 In1-xGaxAs子电池的辐照损伤模型与机理分析

3.3 In1-xGaxAs子电池暗特性退化规律

3.4 In1-xGaxAs子电池少数载流子退化行为

3.5 本章小结

第4章 IMM3J与IMM4J电池高能电子辐照损伤效应

4.1 IMM3J电池高能电子辐照损伤效应

4.2 IMM4J电池高能电子辐照损伤效应

4.3 IMM多结电池与正向电池的性能对比及优化途径

4.4 本章小结

第5章 高能电子辐照IMM4J电池及In1-xGaxAs子电池的退火效应

5.1 试验用In1-xGaxAs子电池结构及辐照效应分析

5.2 高能电子辐照In1-xGaxAs子电池的退火温度效应

5.3 高能电子辐照后InxGa1-xAs子电池退火时间效应

5.4 InxGa1-xAs子电池辐照缺陷的热退火激活能分析

5.5 IMM4J电池退火效应分析

5.6 本章小结

结论

展望：

创新点：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢

个人简历