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【Sol. Energy Mater Sol. Cells】 云南师范大学 A. Aierken:准备好进入太空! LM和IMM 'III-V'三结太阳能电池在AM0光谱下的辐射抗性评估

顶尖团队的选择

重点摘要

本篇研究由 云南师范大学 A. Aierken 等人发表。

  • IMM三接面电池显示出与标准LM电池相当的辐射硬度
  • IMM电池在辐照后保持更好的电流匹配,这要归功于辐射抗性的InGaAs底部子电池
  • 具有高效率和辐射耐受性的IMM电池对于轻量、灵活的高功率太空太阳能阵列具有潜力

背景

格点匹配(LM)GaInP/GaAs/Ge三接面太阳能电池因其高达30%的转换效率和优秀的辐射抗性而被广泛应用于太空能源系统。然而,子电池间的电流不匹配限制了进一步的效率提高。使用GaInP/GaAs/InGaAs的倒置变形(IMM)三接面电池通过调节InGaAs底部电池的能隙,同时通过倒置生长过程减少缺陷,实现了更高的效率。在1太阳下,IMM电池的效率超过30%,在集中时可达到40%以上。此外,倒置基板去除的IMM结构使得太阳能电池具有灵活和轻量的特性。尽管已展示出很高的初始效率,IMM三接面电池在广泛应用于太空之前,其辐射降解特性需要与传统的LM设计进行更好的理解。本研究旨在分析1MeV电子和10MeV质子辐照对IMM三接面太阳能电池的影响。

结果

电性能降级

  • 在3.16×10^10 MeV/g的剂量后,IMM电池的剩余Pmax分别为0.86(e-)和0.73(p+),而LM电池则分别为0.85(e-)和0.75(p+)
  • 对于IMM电池,Isc的降解较小,而Voc的降解相似
  • 暗I-V曲线显示质子辐照时反向饱和电流的增加较大
  • 与先前报告的数值相比,两种电池均表现出良好的辐射硬度

光谱性能和子电池分析

  • 对于IMM电池,EQE主要在GaAs和InGaAs子电池中发生降解,而对于LM电池主要在GaAs子电池中发生
  • 在辐照前,GaInP限制了IMM电池的电流,但在辐照后,InGaAs成为了限制因素
  • 对于LM电池,在辐照前后,GaAs始终是限制性子电池
  • 这表明IMM电池在辐照损伤后能够更好地保持电流匹配

损伤系数和建模

  • 获得的相对电子与质子损伤系数分别为IMM电池的3.11和LM电池的2.78
  • 计算了扩散长度损伤系数,显示了InGaAs子电池的降解较大,符合预期
  • 整体降解行为与基于位移损伤剂量建模的预测相符

方法

  • 制作了IMM和LM GaInP/GaAs/InGaAs和GaInP/InGaAs/Ge三接面太阳能电池。
  • 对电池进行了1MeV电子和10MeV质子的辐照,通量从1×10^14到1×10^15 e/cm2和等效位移损伤剂量。
  • 测量了辐照前后的电压-电流(I-V)曲线,以确定Isc、Voc和Pmax等电性参数的变化。
  • 测量外量子效率(EQE)以分析个别子电池的光谱响应和电流密度(Jsc)变化。

结论

本研究表明,IMM GaInP/GaAs/InGaAs三接触太阳能电池展示出出色的辐射抗性,与传统的LM GaInP/InGaAs/Ge电池相当。在高通量电子和质子辐照后,IMM电池显示出超过73%的最大功率保留因子。详细分析表明,尽管初始降解较高,变形的InGaAs底部电池提供了在末期条件下维持电流匹配所需的优越韧性。所获得的相对损伤系数使得能够对各种粒子进行标准评估。拥有非常高的初始效率和有前景的辐射耐久性,IMM三接触电池对于灵活、轻量级的阵列设计在未来太空任务中满足不断增长的功率需求具有吸引力。进一步提升缓冲层质量可能会提高IMM电池的辐射硬度。准确评估辐射耐久性和性能需要模拟严苛的地外AM0光谱。为此,符合ASTM E927标准的太阳模拟器,如Enlitech的SS-ZXR可提供关键功能,包括1366 W/m2强度下2%均匀性的标准AM0光谱。氙弧灯光源紧密逼近太阳的5500K分布。此外,先进的沉积AM0滤光片技术确保高光谱准确性,可靠评估太空电池在其寿命期间推进效率边界。像SS-ZXR这样的专用仪器将进一步改善容忍度测试和特性化测试。

Fig. 3.(a)IMM太阳能电池和(b)LM太阳能电池在1 MeV电子和10 MeV质子照射下I-V特性的降解。 (DDD = 3.16 × 1010 MeV/g)。

Fig. 7. IMM和LM太阳能电池EQE光谱在辐照下的降解

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