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三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

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三结砷化镓（GaInP/GaAs/Ge）太阳电池以其转化效率高、抗辐照能量强等特点，近年来作为主电源系统［1-2］被广泛应用于各类航天器。当航天器运行至地球阴影区时，太阳电池将无法工作，为此设计三结砷化镓太阳电池与激光电池相结合的全天时电池翼，即在光照区时三结砷化镓太阳电池工作，而在阴影区时，利用激光照射激光电池进行远距离能量传输［3-4］。当激光照射在三结砷化镓太阳电池时，由于激光能量密度很高，会造成太阳电池的损伤，因此，有必要就三结砷化镓太阳电池的激光损伤形式及机理进行分析。

近年来国内外研究指出，太阳电池激光辐照损伤的主要原因包括热应力损伤、热熔损伤［5］、高温导致深能级缺陷增加以及掺杂离子再扩散［6］等。目前对激光损伤的研究，主要是采用脉冲或连续激光，在空气环境下辐照硅、砷化镓等太阳电池，研究激光参数、电池性能及损伤阈值的关系。而对于在真空环境下，采用1 315 nm这一大气窗口的连续激光，针对三结砷化镓太阳电池器件结构的激光损伤过程性分析及损伤机理研究，目前尚未见公开报道。

本文采用1 315 nm波长的连续激光，模拟空间环境，在真空条件下辐照三结砷化镓太阳电池，开展了激光损伤效应研究。

1 实验

1.1 三结砷化镓太阳电池结构参数

实验样品为三结砷化镓太阳电池，制作工艺主要包括有源层MOCVD沉积、栅线及背电极蒸镀、抗辐照盖片粘合固化等。电池结构如图1所示，自上而下分别为抗辐照玻璃盖片、盖片胶、栅线、GaInP顶电池、GaAs中电池、Ge底电池、背电极。顶、中、底三个子电池的带隙分别为1.85、1.42、0.67 eV，所对应的响应光谱波段分别为350～700 nm、700～880 nm、880～1 750 nm［7］。

图1 三结砷化镓太阳电池结构图Fig.1 Structure diagram of tri-junction GaAs solar cell

1.2 激光辐照实验装置及损伤表征

实验系统包括连续式激光器、扩束装置、光阑、真空腔室、红外测温及开压检测系统等，如图2所示。激光器的波长为1 315 nm，光束经扩束及光阑后，透过真空腔室的玻璃窗口，照射在三结砷化镓太阳电池样品表面。

图2 太阳电池真空激光辐照实验系统Fig.2 Laser irradiation system of solar cells in the vacuum

调节光斑大小使其完全覆盖电池样品，如图3所示，采用功率计对激光功率值进行标定，辐照时真空度达到10-3Pa以上，实时监测辐照过程中太阳电池开路电压及电池片温度变化。

图3 真空腔内电池样品及激光光斑Fig.3 Solar cell sample in the vacuum chamber and laser spot

三结砷化镓太阳电池的激光损伤情况由实验前后标准I-V电性能（AM0）、量子效率（QE）、SEM表面形貌三种测试进行表征。

2 实验结果与分析

2.1 激光辐照中电池在线检测

选择2、5、8 W/cm23个激光功率密度参数，固定辐照时间为60 s，每个参数选取2个三结砷化镓太阳电池样品。

激光辐照过程中电池样品温度T的变化曲线（测温仪量程自350 ℃起）如图4所示。温度曲线基本分为3个阶段，即温升段、热平衡段、降温段。在温升段，随功率密度增大，温升梯度增大显著；在热平衡段，随功率密度增大，热平衡温度逐渐增加，3个功率密度分别对应420 ℃、620 ℃、670 ℃；在降温段，由于热源的消失，电池样品温度骤降。

图4 辐照过程中电池样品温度变化曲线Fig.4 Temperature change curves of the solar cell samples during irradiation

激光辐照过程中开路电压Voc的变化曲线如图5所示，随着电池温度的升高，Voc迅速降低。

图5 辐照过程中电池样品开压变化曲线Fig.5 Opening voltage change curves of the solar cell samples during irradiation

理想的PN结太阳电池开路电压Voc可表示为

也可以写成

当忽略小负数项时，该式可改写为

式中：A与温度无关；Eg0为00C时电池半导体材料的禁带宽度；γ包含确定I0的其余参数中与温度有关的因素，其数值通常在1～4范围内。

对该式求导，并考虑

可以得到

忽略项，得到开路电压随温度变化的公式为

可以看出，随着温度升高，Voc近似线性减小。更加精确的计算表明GaInP顶电池dVoct/dT≈-2.2 mV·K-1，GaAs中电池dVocm/dT≈-2.0 mV·K-1，Ge底电池dVocb/dT≈-1.8 mV·K-1。三结砷化镓太阳电池Vtriple=Vt+Vm+Vb，因此，dVoc/dT≈-6.0 mV·K-1［8-9］。由于三结砷化镓太阳电池样品Voc在2 600 mV左右（AM0，25℃），可以得到电池温度为450 ℃时，Voc趋近于0 V。

文章来源：《真空科学与技术学报》网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2020/1224/424.html