CN104991178A - 一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法 - Google Patents

Abstract

一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，本发明涉及分析多数载流子输运的方法。本发明是要解决现有技术无法给出空间带电粒子辐照下电池内部载流子输运性质的变化规律的问题。本发明是通过步骤一、建立太阳电池开路电压退化模型；步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律；通过空间辐射环境地面等效模拟试验获得带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律；步骤三、根据多子浓度损伤系数α_n得到载流子去除率R_C；步骤四、根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律；步骤五、得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律等步骤实现的。本发明应用于空间太阳电池辐照损伤效应与机理领域。

Description

一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法

技术领域

本发明涉及分析多数载流子输运的方法，特别涉及一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法。

背景技术

空间太阳电池作为航天器的主电源暴露于外部空间，受空间带电粒子的辐照作用在其内部产生辐照缺陷。微观缺陷成为多数载流子的陷阱和少数载流子的复合中心，从而改变电池内部载流子的输运机制导致太阳电池电学参数发生明显退化甚至失效。研究空间太阳电池辐照损伤的微观机制对于优化太阳电池的设计参数、提高其抗辐射能力具有重要意义。

关于太阳电池电学参数退化规律方面的研究已经进行了大量工作，空间带电粒子辐照下太阳电池电学参数的退化幅度随入射粒子注量的增加而增大。小于200keV质子辐照下电池电学参数的退化规律与入射粒子能量密切相关，大于200keV质子辐照下电池电学参数的退化规律随入射质子能量的增高而减小。不同能量的电子辐照下太阳电池电学参数退化幅度随入射电子能量的增高而增大。上述研究结果都无法从根本上揭示空间太阳电池的辐照损伤机理。关于太阳电池辐照微观缺陷的分析手段逐渐成熟，深能级瞬态谱(DLTS)方法能够分析不同能量和注量的空间粒子辐照下单结太阳电池内部辐照缺陷的类型和浓度分布。光学深能级瞬态谱(ODLTS)方法在分析多结叠层太阳电池辐照缺陷方面也得到应用。深能级瞬态谱方法虽然能够确定辐照损伤微观缺陷的类型和浓度分布，但是其无法给出电池内部载流子输运性质的变化规律。而获得太阳电池内部载流子输运性质变化的基本规律是揭示太阳电池辐照损伤机理的关键。目前，关于空间带电粒子辐照下太阳电池内部载流子输运性质变化的分析手段还处于探索阶段。

根据半导体物理的基本理论可知，太阳电池的开路电压主要取决于PN结两侧的多数载流子浓度，空间带电粒子辐照下太阳电池开路电压的退化与多数载流子浓度的变化密切相关。本发明专利提出一种分析太阳电池多数载流子输运机制的方法，旨在为揭示空间太阳电池辐照损伤物理机制提供试验依据和理论指导。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法给出空间带电粒子辐照下电池内部载流子输运性质的变化规律的问题，而提出的一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型；

步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律；通过空间辐射环境地面等效模拟试验获得带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律；其中，带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律；

步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C，其中，载流子去除率R_C为多子浓度损伤系数α_n与载流子浓度的乘积；

步骤四、根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律；其中，多子为多数载流子；

步骤五、利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律。

发明效果

本发明基于太阳电池开路电压退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规律，通过获得多子浓度损伤系数分析多数载流子的输运性质。以不同能量的质子辐照结果为例，本发明给出不同能量的质子辐照下太阳电池多数载流子浓度损伤系数随质子能量变化的基本规律，如图3所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得载流子浓度随入射粒子注量变化的基本规律进行对比分析，验证结果的科学性。以1MeV电子辐照结果为例，采用开路电压退化模型进行非线性拟合得到的多子去除率约为67cm^-1，而使用PC1D程序分析所得结果约为24.03cm^-1。研究结果存在差异恰恰说明太阳电池多数载流子去除效应是开路电压退化的主要原因之一，此外空间电荷区产生的辐照损伤缺陷也是太阳电池开路电压退化的主要原因。

附图说明

图1为具体实施方式五提出的1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池开路电压退化规律及非线性拟合曲线；

图2为实施例提出的1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池多子浓度随电子注量变化的基本规律；

图3为具体实施方式一提出的不同能量的质子辐照下多子浓度损伤系数随质子能量变化的关系曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型；

步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律；通过空间辐射环境地面等效模拟试验获得带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律；其中，带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律；

步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C，其中，载流子去除率R_C等于多子浓度损伤系数α_n与载流子浓度的乘积；

步骤四、根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律；其中，多子为多数载流子；

步骤五、PC1D程序模拟分析结果；利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律。

本实施方式效果：

本实施方式基于太阳电池开路电压退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规律，通过获得多子浓度损伤系数分析多数载流子的输运性质。以不同能量的质子辐照结果为例，本实施方式给出不同能量的质子辐照下太阳电池多数载流子浓度损伤系数随质子能量变化的基本规律，如图3所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得载流子浓度随入射粒子注量变化的基本规律进行对比分析，验证结果的科学性。以1MeV电子辐照结果为例，采用辐照损伤模型进行非线性拟合得到的多子去除率约为67cm^-1，而使用PC1D程序分析所得结果约为24.03cm^-1。研究结果存在差异恰恰说明太阳电池多数载流子去除效应是开路电压退化的主要原因之一，此外空间电荷区产生的辐照损伤缺陷也是太阳电池开路电压退化的主要原因。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型具体过程为：

基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型：

$V_{oc}=\frac{2k_{B}T}{q}ln\frac{n_0}{n_i(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})}=\frac{2k_{B}T}{q}\[ln\frac{n_0}{n_i}-ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})\]---\left(1\right)$

带电粒子辐照前，带电粒子辐照注量Φ＝0时，则内建电压为则归一化开路电压退化模型

$\frac{V_{oc}}{V_{oc0}}=1-{\left(ln\frac{n_0}{n_i}\right)}^{-1}ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})---\left(2\right)$

式(2)与太阳电池的工程应用模型在形式上一致，式中，V_oc0表示空间带电粒子辐照前太阳电池的开路电压；V_oc分别表示空间带电粒子辐照后太阳电池的开路电压；n₀为辐照前的多数载流子浓度，n_i为本征载流子浓度；α_n为多子浓度损伤系数，Ф为带电粒子辐照注量；k_B为玻耳兹曼常数、T为温度、q为电子电量。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)由于电子辐照下空间太阳电池的损伤效应存在原子发生位移的能量阈值，所以电子辐照的电子能量大于200keV，电子辐照的入射电子能量要求选择4～6个能量值；

(2)根据常见实验设备的参数，选取电子能量分别为1、2、4和10MeV供参考使用；电子注量的选取要依据电池电学参数退化幅度而定，要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)由于小于200keV质子辐照下太阳电池电学参数的退化与入射质子能量密切相关；小于200keV质子能量的选择根据SRIM带电粒子辐照效应模拟程序的计算结果进行，选取在电池中射程末端分别处于电池发射区、空间电荷区和基区的质子能量值，选取3～5种不同能量的质子；

(2)大于200keV质子辐照下太阳电池电学参数的退化幅度随入射质子能量的增高而减小，可以根据实验设备的具体参数，选取能量间隔为1～3MeV的质子能量值3～5种；质子注量的选取要依据电池电学参数退化幅度而定，要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C＝nα_n具体过程为：

利用方程(2)使用Origin程序分析软件对带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，进而计算载流子去除率R_C＝nα_n；其中，方程(2)中相应参数的初值根据太阳电池的实际制备工艺参数确定；

本发明以1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池的退化结果为例使用Origin程序分析软件进行非线性拟合，如图1所示；图1为1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池开路电压退化规律及其非线性拟合曲线。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律具体为：

n＝n₀-R_CΦ

在给定太阳电池基本的制备工艺参数的情况下根据非线性拟合得到的载流子去除率可以确定不同能量的电子和质子辐照下电池多子浓度变化的基本规律n＝n₀-R_CΦ。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型；

基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型：

$V_{oc}=\frac{2k_{B}T}{q}\ln \frac{n_0}{n_i(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})}=\frac{2k_{B}T}{q}\[ln\frac{n_0}{n}-ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})\]---\left(1\right)$

带电粒子辐照前，带电粒子辐照注量Φ＝0时，则内建电压为则归一化开路电压退化模型

$\frac{V_{oc}}{V_{oc0}}=1-{\left(ln\frac{n_0}{n_i}\right)}^{-1}ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})---\left(2\right)$

式(2)与太阳电池的工程应用模型在形式上一致，式中，V_oc0表示空间带电粒子辐照前太阳电池的开路电压；V_oc分别表示空间带电粒子辐照后太阳电池的开路电压；n₀为辐照前的多数载流子浓度，n_i为本征载流子浓度；α_n为多子浓度损伤系数，Ф为带电粒子辐照注量；k_B为玻耳兹曼常数、T为温度、q为电子电量。

步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律；通过空间辐射环境地面等效模拟试验获得带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律；其中，带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律；

不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)由于电子辐照下空间太阳电池的损伤效应存在原子发生位移的能量阈值，所以电子辐照的电子能量大于200keV，电子辐照的入射电子能量要求选择4～6个能量值；

(2)根据常见实验设备的参数，选取电子能量分别为1、2、4和10MeV供参考使用；电子注量的选取要依据电池电学参数退化幅度而定，要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。

不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)由于小于200keV质子辐照下太阳电池电学参数的退化与入射质子能量密切相关；小于200keV质子能量的选择根据SRIM带电粒子辐照效应模拟程序的计算结果进行，选取在电池中射程末端分别处于电池发射区、空间电荷区和基区的质子能量值，选取4种(需要根据电池的参数选取，依据本发明的电池参数选取40、70、100和170keV的质子)不同能量的质子；

(2)大于200keV质子辐照下太阳电池电学参数的退化幅度随入射质子能量的增高而减小,可以根据实验设备的具体参数，选取一定能量间隔为2MeV的质子能量值4种(2、4、7和10MeV)；质子注量的选取要依据电池电学参数退化幅度而定，要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。

步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C，其中，载流子去除率R_C为多子浓度损伤系数α_n与载流子浓度的乘积；

利用方程(2)使用Origin程序分析软件对带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，进而计算载流子去除率R_C＝nα_n；其中，方程(2)中相应参数的初值根据太阳电池的实际制备工艺参数确定；

本发明以1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池的退化结果为例使用Origin程序分析软件进行非线性拟合，如图1所示；图1为1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池开路电压退化规律及其非线性拟合曲线。

步骤四、根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律；其中，多子为多数载流子；以不同能量的质子辐照结果为例，本发明给出不同能量的质子辐照下太阳电池多数载流子浓度损伤系数随质子能量变化的基本规律，如图3所示；

在给定太阳电池基本的制备工艺参数的情况下根据非线性拟合得到的载流子去除率可以确定不同能量的电子和质子辐照下电池多子浓度变化的基本规律n＝n₀-R_CΦ。

步骤五、PC1D程序模拟分析结果；利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律；本发明以1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池的退化结果为例，使用PC1D太阳电池模拟分析程序在模拟分析电池光谱响应和IV特性的基础上建立多子浓度随入射电子注量变化的基本规律，如图2所示。

步骤六、研究结果的对比分析和实验验证综合对比步骤四和步骤五所得结果，分析步骤四和步骤五所得结果的一致性和差异性，可以保证研究结果的科学性。提供下相关仿真实验数据以1MeV电子辐照结果为例，采用辐照损伤模型进行非线性拟合得到的多子去除率约为67cm^-1，而使用PC1D程序分析所得结果约为24.03cm^-1。研究结果存在差异恰恰说明太阳电池多数载流子去除效应是开路电压退化的主要原因之一，此外空间电荷区产生的辐照损伤缺陷也是太阳电池开路电压退化的主要原因。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型；

步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律；通过空间辐射环境地面等效模拟试验获得带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律；其中，带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律；

步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C，其中，载流子去除率R_C等于多子浓度损伤系数α_n与载流子浓度的乘积；

步骤四、根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律；其中，多子为多数载流子；

步骤五、利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律。

2.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于：步骤一中基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型具体过程为：

基于空间带电粒子辐照下半导体材料的载流子输运模型和太阳电池能带模型建立太阳电池开路电压退化模型：

$V_{oc}=\frac{2k_{B}T}{q}ln\frac{n_0}{n_i(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})}=\frac{2k_{B}T}{q}\[ln\frac{n_0}{n_i}-ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})\]---\left(1\right)$

带电粒子辐照前，带电粒子辐照注量Φ＝0时，则内建电压为则归一化开路电压退化模型

$\frac{V_{oc}}{V_{oc0}}=1-{\left(ln\frac{n_0}{n_i}\right)}^{-1}ln(1+{\mathrm{\α}}_n\mathrm{\Φ})---\left(2\right)$

式中，V_oc0表示空间带电粒子辐照前太阳电池的开路电压；V_oc分别表示空间带电粒子辐照后太阳电池的开路电压；n₀为辐照前的多数载流子浓度，n_i为本征载流子浓度；α_n为多子浓度损伤系数，Ф为带电粒子辐照注量；k_B为玻耳兹曼常数、T为温度、q为电子电量。

3.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于：步骤二中不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)电子辐照的电子能量大于200keV，电子辐照的入射电子能量要求选择4～6个能量值；

(2)选取电子能量分别为1、2、4和10MeV供参考使用，要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。

4.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于：步骤二中不同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为：

(1)小于200keV质子能量的选择根据SRIM带电粒子辐照效应模拟程序的计算结果进行，选取在电池中射程末端分别处于电池发射区、空间电荷区和基区的质子能量值，选取3～5种不同能量的质子；

(2)大于200keV质子辐照下太阳电池电学参数的退化幅度，选取一定能量间隔为1～3MeV的质子能量值3～5种；要求电池最大功率的退化幅度达到辐照前的75％以下，所选取的电子注量值在4个以上。

5.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于：步骤三中根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据，使用太阳电池开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，从而得到载流子去除率R_C＝nα_n具体过程为：

利用方程(2)使用Origin程序分析软件对带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数α_n，进而计算载流子去除率R_C＝nα_n。

6.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法，其特征在于：步骤四中根据载流子去除率R_C建立多子浓度变化的基本规律具体为：

n＝n₀-R_CΦ。