CN105022915B - 一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方法 - Google Patents
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Abstract
一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方法，本发明涉及分析少数载流子输运的方法。本发明解决空间带电粒子辐照下太阳电池内部辐照微观缺陷如何影响载流子输运性质进而揭示太阳电池辐照损伤机理的问题，而提出的一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运机制的方法。该方法是通过步骤一、得到辐照后归一化的短路电流退化模型：步骤二、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短路电流退化规律；步骤三、得到少子扩散长度损伤系数；步骤四、得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律；步骤五、得到电池少子扩散长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
技术领域
本发明涉及分析空间单结太阳电池少数载流子输运机制的方法。
背景技术
航天器在轨服役期间要经历复杂恶劣的空间辐射环境，空间太阳电池作为航天器的主电源必然遭受空间带电粒子的辐射作用。电池内部产生的辐照微观缺陷改变载流子的输运性质造成太阳电池电学参数的明显退化甚至失效。探索空间太阳电池辐照损伤的内在物理机制成为太阳电池辐照损伤效应研究的重要内容，而揭示空间太阳电池辐照损伤的内在物理机制的关键在于分析太阳电池内部载流子输运的基本规律。
发明内容
本发明的目的是为了解决空间带电粒子辐照下太阳电池内部辐照微观缺陷如何影响载流子输运性质进而揭示太阳电池辐照损伤机理的问题，而提出的一种分析空间单结太阳电池少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短路电流退化的数学模型：
式中，A＝qαF(1-R)exp(-αxj)，q为电子电量，R为反射率，F(1-R)为入射光的反射率为R时的总入射通量、α为吸收系数、xj为太阳电池的结深，L0为辐照前少数载流子即少子的扩散长度，Φ为辐照粒子注量，KL为少子扩散长度损伤系数，e为自然指数，L0为辐照前少子的扩散长度；
辐照前Φ＝0时，从而得到辐照后归一化的短路电流退化模型：
步骤二、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短路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据包括不同能量电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池短路电流退化规律；
步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL；
步骤四、根据少子扩散长度损伤系数KL，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律；
步骤五、根据太阳电池的基本结构参数利用PC1D太阳电池模拟程序模拟不同能量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得到电池少子扩散长度随入射粒子能量变化的基本规律。
发明效果
根据太阳电池的基本工作原理可知，太阳电池的电学参数主要取决于电池活性区内光生少数载流子的扩散长度。本发明提出一种分析太阳电池少数载流子(少子)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。
本发明基于太阳电池短路电流退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规律，通过获得少子扩散长度损伤系数分析少子输运性质。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少数载流子扩散长度损伤系数随质子能量变化的基本规律，如图4所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得扩散长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。扩散长度损伤系数的模型分析结果为2.54×10-7，PC1D软件分析结果为2.04×10-7。
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太阳电池归一化Isc退化规律及非线性拟合曲线图；
图2为具体实施方式一提出的1MeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池少子扩散长度随入射电子注量变化的关系曲线图；
图3为具体实施方式五提出的GaAs/Ge太阳电池基本结构参数示意图；
图4为具体实施方式一提出的不同能量质子辐照后GaAs/Ge太阳电池少数载流子扩散长度损伤系数随入射质子能量变化的关系曲线示意图。
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少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短路电流退化的数学模型：
式中，A＝qαF(1-R)exp(-αxj)，q为电子电量，R为反射率，F(1-R)为入射光的反射率为R时的总入射通量、α为吸收系数、xj为太阳电池的结深；L0为辐照前少数载流子即少子的扩散长度，Φ为辐照粒子注量，KL为少子扩散长度损伤系数；e为自然指数；L0为辐照前少子的扩散长度；
辐照前Φ＝0时，从而得到辐照后归一化的短路电流退化模型：
步骤二、建立太阳电池短路电流退化的数据，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短路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据包括不同能量电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池短路电流退化规律；
步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL；
步骤四、根据少子扩散长度损伤系数KL，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律；
步骤五、PC1D程序模拟分析结果；根据太阳电池的基本结构参数如图3利用PC1D太阳电池模拟程序模拟不同能量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得到电池少子扩散长度随入射粒子了能量变化的基本规律，与步骤四的结果进行对比验证；
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。
本实施方式效果：
根据太阳电池的基本工作原理可知，太阳电池的电学参数主要取决于电池活性区内光生少数载流子的扩散长度。本实施方式提出一种分析太阳电池少数载流子(少子)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。
本实施方式基于太阳电池短路电流退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规律，通过获得少子扩散长度损伤系数分析少子输运性质。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少数载流子扩散长度损伤系数随质子能量变化的基本规律，如图4所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得扩散长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。扩散长度损伤系数的模型分析结果为2.54×10-7，PC1D软件分析结果为2.04×10-7。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中带电粒子辐照的电子注量选择方法为：
(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：步骤二中带电粒子辐照的质子注量选择方法为：
(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，所选取的质子注量值在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：步骤三中根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL的具体过程：
利用方程(2)对带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据进行非线性拟合得到少子扩散长度损伤系数KL。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：步骤四中得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律具体为：
在给定太阳电池基本制备工艺参数见图3的情况下将非线性拟合得到的少子扩散长度损伤系数代入到中，计算少子扩散长度L即确定不同能量的电子和质子辐照下电池少子扩散长度变化的基本规律：
其中，非线性拟合采用Origin程序分析软件对太阳电池短路电流退化的数据进行非线性拟合；方程(2)中相应参数的初值即辐照前的短路电流和扩散长度以及电池的结深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太阳电池归一化短路电流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。
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少数载流子输运的方法，具体是按照以下步骤实施的：
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短路电流退化的数学模型：
式中，A＝qαF(1-R)exp(-αxj)，q为电子电量，R为反射率，F(1-R)为入射光的反射率为R的总入射通量、α为吸收系数、xj为太阳电池的结深；L0为辐照前少数载流子即少子的扩散长度，Φ为辐照粒子注量，KL为少子扩散长度损伤系数；e为自然指数；L0为辐照前少子的扩散长度；
辐照前Φ＝0时，从而得到辐照后归一化的短路电流退化模型：
步骤二、建立太阳电池短路电流退化的数据，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短路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据包括不同能量电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池短路电流退化规律；
(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选择4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
(3)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种不同能量的质子；选取40、70、100和170keV
(4)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2MeV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，所选取的质子注量值在4个以上；
步骤三、利用方程(2)根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL对应不同能量的质子具体数据见图4；
步骤四、根据少子扩散长度损伤系数KL，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律；
在给定太阳电池基本制备工艺参数见图3的情况下将非线性拟合得到的少子扩散长度损伤系数代入到中，计算少子扩散长度L即确定不同能量的电子和质子辐照下电池少子扩散长度变化的基本规律：
其中，非线性拟合采用Origin程序分析软件对建立太阳电池短路电流退化的数据进行非线性拟合；方程(2)中相应参数的初值即辐照前的短路电流和扩散长度以及电池的结深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太阳电池归一化短路电流退化规律及其非线性拟合曲线；
步骤五、PC1D程序模拟分析结果；根据太阳电池的基本结构参数如图3利用PC1D太阳电池模拟程序模拟不同能量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得到电池少子扩散长度随入射粒子能量变化的基本规律，与步骤四的结果进行对比验证；
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扩散长度损伤系数的模型分析结果为2.54×10-7，PC1D软件分析结果为2.04×10-7；
综合对比步骤四和步骤五所得结果，分析上述结果的一致性和差异性直接从数值上可以看出，可见上述结果在数量级上是一致的，可以保证研究结果的科学性。针对分析上述结果的一致性和差异性，提供效果图和量化数据产生差异性的原因：(1)电池的理论参数与实际参数之间的差异；(2)由origin进行非线性拟合产生的计算误差；(3)辐照试验数据与PC1D程序理论计算模型及结果之间的差异。
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，本领域技术人员当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 (5)
1.一种分析空间单结太阳电池少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少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短路电流退化的数学模型：
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式中，A＝qαF(1-R)exp(-αxj)，q为电子电量，R为反射率，F(1-R)为入射光的反射率为R时的总入射通量、α为吸收系数、xj为太阳电池的结深，L0为辐照前少数载流子即少子的扩散长度，Φ为辐照粒子注量，KL为少子扩散长度损伤系数，e为自然指数；
辐照前Φ＝0时，从而得到辐照后归一化的短路电流退化模型：
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步骤二、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短路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据包括不同能量电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池短路电流退化规律；
步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL；
步骤四、根据少子扩散长度损伤系数KL，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律；
步骤五、根据太阳电池的基本结构参数利用PC1D太阳电池模拟程序模拟不同能量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得到电池少子扩散长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少数载流子输运的方法，其特征在于：步骤二中带电粒子辐照的电子注量选择方法为：
(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。
3.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方法，其特征在于：步骤二中带电粒子辐照的质子注量选择方法为：
(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，所选取的质子注量值在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少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短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数KL的具体过程：
利用方程(2)对带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据进行非线性拟合得到少子扩散长度损伤系数KL。
5.根据权利要求1所述一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方法，其特征在于：步骤四中得到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律具体为：
将非线性拟合得到的少子扩散长度损伤系数代入到中，计算少子扩散长度L即确定不同能量的电子和质子辐照下电池少子扩散长度变化的基本规律：
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170818 Termination date: 20180625 |