GaAs太阳电池空间粒子辐照效应及在轨性能退化预测方法

摘要

本文通过空间带电粒子辐照地面等效模拟试验，研究了国产 GaAs/Ge单结太阳电池和 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电学性能演化规律和辐照损伤机理。在此基础上，对 GaAs/Ge单结太阳电池的在轨性能退化预测方法进行了简化和改进，并将其推广应用于 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池。针对地球同步轨道环境条件，预测了国产 GaAs/Ge单结太阳电池和 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的在轨服役行为。
　　研究结果表明，不同能量质子辐照下，GaAs/Ge单结太阳电池的电学性能退化与电池发射区、基区和空间电荷区不同程度的损伤密切相关。70keV质子主要造成电池空间电荷区损伤，导致电池开路电压明显退化，40keV质子主要造成电池发射区损伤，导致电池短路电流显著降低。大于100keV质子辐照下，电池短路电流、开路电压和最大功率的退化幅度均随质子能量提高逐渐降低。电子辐照注量一定时，GaAs/Ge电池电学性能的退化幅度随电子能量增加而增大。1MeV电子和170keV质子的辐照次序对电池的辐照损伤效应没有影响。DLTS分析表明，<200keV质子辐照在 GaAs/Ge电池中引入的辐照缺陷主要有 Ec-0.31eV和 Ec-0.47eV，且随质子能量的增加，缺陷浓度逐渐降低。在辐照损伤效应研究的基础上，针对 GaAs/Ge太阳电池，建立了短路电流和开路电压退化的数学/物理模型。
　　<200keV质子辐照下，GaInP/GaAs/Ge三结电池的电学性能退化与质子能量密切相关。在一定的辐照注量下，170keV质子辐照造成电池开路电压、短路电流和最大功率的退化幅度最大；与之相比，40、100和130keV质子辐照引起电池电学性能退化幅度相对较小。4MeV和10MeV质子辐照下，电池的电学性能退化幅度随质子能量的增加逐渐减小。在一定的电子注量下，电池电学性能的退化幅度随电子能量提高而增大。采用光学深能级瞬态谱法分析了三结 GaInP/GaAs/Ge太阳电池的深能级缺陷。研究结果表明，<200keV质子辐照在 GaInP子电池中引入的深能级缺陷主要有 Ec-0.26eV、Ev+0.18eV和Ev+0.42eV；在 GaAs子电池中产生的深能级缺陷主要有 Ec-0.015eV、Ec-0.15eV和Ev+0.33eV。
　　从试验和理论分析两方面，研究了<200keV质子通量对 GaAs/Ge太阳电池辐照损伤效应的影响。结果表明，质子通量在6×109~1.2×1011cm-2s-1范围内，对 GaAs/Ge太阳电池的辐照损伤效应没有影响，为进行空间带电粒子辐照地面等效模拟加速试验提供了依据。
　　针对国产 GaAs/Ge和 GaInP/GaAs/Ge太阳电池，建立了不同能量电子和质子辐照下太阳电池电学性能退化曲线与动力学方程。在此基础上，确定了国产太阳电池不同能量粒子注量转换的相对损伤系数。通过 Monte-Carlo方法计算了透过太阳电池防护盖片的空间带电粒子能谱及轨道等效注量，简化了等效注量法的计算过程。
　　在低能质子辐照损伤效应研究的基础上，针对国产 GaAs/Ge单结太阳电池，确定了<70keV质子和>70keV质子辐照位移损伤剂量转化的相对等效系数，对 NRL的位移损伤剂量法进行了改进。将改进的位移损伤剂量法推广应用于 GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池。采用改进的等效注量法和位移损伤剂量法，预测了表面加装120μm防护盖片的国产 GaAs/Ge太阳电池和GaInP/GaAs/Ge太阳电池在地球同步轨道的电学性能退化。两种评价方法的预测结果一致，说明改进后的评价方法具有实际应用的可行性。