南京航空航天大学方美华教授团队-模拟太空太阳能电池质子辐照 GaAs/Ge 太阳能电池缺陷的退火动力学
顶尖团队的选择
重点摘要
- 太空辐射会对太阳能电池造成损伤,限制了卫星的能力和寿命。要减轻这种损伤,需要研究辐射对太阳能电池的退化机制。
- 高能粒子与原子核的相互作用会导致位移损伤和晶体缺陷。这些缺陷会成为载流子复合中心,极大影响少数载流子的生命周期,从而影响太阳能电池的电性能。
- 少数载流子的生命周期对辐射缺陷极为敏感,随着缺陷浓度的降低而增加。热退火可以恢复半导体材料中的缺陷。
- 该论文用150 keV质子辐照 GaAs/Ge 太阳电池,然后在120°C下进行退火。结果发现随着辐射通量的增加,退火后缺陷恢复的比例降低。少数载流子的生命周期随着缺陷浓度的降低而增加,这意味着太阳能电池的电性能有所改善。
- 通过数值模拟计算了缺陷浓度和少数载流子的生命周期,并用实验结果建立了一个改进的退火动力学方程。
太空辐射如何降低太阳能电池效率?
太空辐射造成的损伤会限制卫星的使用寿命。近年来,科学家投入大量研究以了解辐射如何降低太阳能电池的效率。高能质子与太阳能电池材料的原子核发生碰撞,会导致位移损伤和点缺陷。这些点缺陷成为载流子复合中心,加速正电洞与电子的再结合,缩短少数载流子的生命周期,最终降低太阳能电池的开路电压与短路电流。因此,理解辐射损伤机制,开发更稳定的太阳能电池材料对于提高卫星任务寿命至关重要。
热退火可部分恢复辐射损伤
由于太空任务的温度条件往往高达100°C以上,科学家发现这种高温可促进辐射损伤的恢复。使用150keV质子辐照GaAs/Ge太阳电池,再在120°C下进行退火。结果显示,随着辐射流量增加,退火后仍存留较多未恢复缺陷;而少数载流子生命周期的延长则显示太阳电池效率有所提升。这为研发高温太阳能电池提供了依据。
改进退火动力模型预测太阳能电池性能
基于实验数据,该研究团队建立了一个改进的退火动力学模型,可预测不同辐射损伤条件下的缺陷浓度。他们用此模型模拟了短路电流在退火过程中的变化情况,结果与实验数据吻合得很好。这为预测太空任务中太阳能电池损伤和效能衰减提供了基础。
Enlitech SS-ZXR AM0 A级稳态标准太阳光模拟器确实可通过其设计实现功能应用于三五族太阳能电池的测试:
- IV曲线测试
- 光谱响应测试
- 温度系数测试
- 高能粒子辐照退火效应研究
主要原因有:
- SS-ZXR提供精确、稳定的光强度输出,满足IV测试要求
- 光源模块可以控制光谱参数,可进行光谱响应测试
- 提供温度控制平台,可控制待测太阳能电池温度
- 光源强度和稳定度足以用于辐照后的电池退火和性能评估实验
所以SS-ZXR的各项功能和性能指标都完全匹配三五族太阳能电池不同测试和表征实验的要求,是一款非常适合的太阳光模拟光源产品。
图2 150 keV质子辐照GaAs/Ge太阳电池的I-V特征曲线
图3 150 keV质子辐照GaAs太阳电池的电性能和EQE:(a) VOC、JSC 和 Pmax 的退化;(b) EQE
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