一種分析空間單結(jié)太陽(yáng)電池多數(shù)載流子輸運(yùn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析多數(shù)載流子輸運(yùn)的方法，特別涉及一種分析空間單結(jié)太陽(yáng)電池多 數(shù)載流子輸運(yùn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間太陽(yáng)電池作為航天器的主電源暴露于外部空間，受空間帶電粒子的輻照作用 在其內(nèi)部產(chǎn)生輻照缺陷。微觀缺陷成為多數(shù)載流子的陷阱和少數(shù)載流子的復(fù)合中心，從而 改變電池內(nèi)部載流子的輸運(yùn)機(jī)制導(dǎo)致太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)發(fā)生明顯退化甚至失效。研宄空間 太陽(yáng)電池輻照損傷的微觀機(jī)制對(duì)于優(yōu)化太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)參數(shù)、提高其抗輻射能力具有重要 意義。
[0003] 關(guān)于太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)退化規(guī)律方面的研宄已經(jīng)進(jìn)行了大量工作，空間帶電粒子 輻照下太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)的退化幅度隨入射粒子注量的增加而增大。小于200keV質(zhì)子輻 照下電池電學(xué)參數(shù)的退化規(guī)律與入射粒子能量密切相關(guān)，大于200keV質(zhì)子輻照下電池電 學(xué)參數(shù)的退化規(guī)律隨入射質(zhì)子能量的增高而減小。不同能量的電子輻照下太陽(yáng)電池電學(xué) 參數(shù)退化幅度隨入射電子能量的增高而增大。上述研宄結(jié)果都無(wú)法從根本上揭示空間太 陽(yáng)電池的輻照損傷機(jī)理。關(guān)于太陽(yáng)電池輻照微觀缺陷的分析手段逐漸成熟，深能級(jí)瞬態(tài)譜 OLTS)方法能夠分析不同能量和注量的空間粒子輻照下單結(jié)太陽(yáng)電池內(nèi)部輻照缺陷的類 型和濃度分布。光學(xué)深能級(jí)瞬態(tài)譜（ODLTS)方法在分析多結(jié)疊層太陽(yáng)電池輻照缺陷方面也 得到應(yīng)用。深能級(jí)瞬態(tài)譜方法雖然能夠確定輻照損傷微觀缺陷的類型和濃度分布，但是其 無(wú)法給出電池內(nèi)部載流子輸運(yùn)性質(zhì)的變化規(guī)律。而獲得太陽(yáng)電池內(nèi)部載流子輸運(yùn)性質(zhì)變化 的基本規(guī)律是揭示太陽(yáng)電池輻照損傷機(jī)理的關(guān)鍵。目前，關(guān)于空間帶電粒子輻照下太陽(yáng)電 池內(nèi)部載流子輸運(yùn)性質(zhì)變化的分析手段還處于探索階段。
[0004] 根據(jù)半導(dǎo)體物理的基本理論可知，太陽(yáng)電池的開路電壓主要取決于PN結(jié)兩側(cè)的 多數(shù)載流子濃度，空間帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓的退化與多數(shù)載流子濃度的變化 密切相關(guān)。本發(fā)明專利提出一種分析太陽(yáng)電池多數(shù)載流子輸運(yùn)機(jī)制的方法，旨在為揭示空 間太陽(yáng)電池輻照損傷物理機(jī)制提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法給出空間帶電粒子輻照下電池內(nèi)部載流 子輸運(yùn)性質(zhì)的變化規(guī)律的問(wèn)題，而提出的一種分析空間單結(jié)太陽(yáng)電池多數(shù)載流子輸運(yùn)的方 法。
[0006] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟一、基于空間帶電粒子輻照下半導(dǎo)體材料的載流子輸運(yùn)模型和太陽(yáng)電池能帶 模型建立太陽(yáng)電池開路電壓退化模型；
[0008] 步驟二、建立太陽(yáng)電池開路電壓退化的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律；通過(guò)空間輻射環(huán)境地面等 效模擬試驗(yàn)獲得帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律；其中，帶電粒子輻照下太陽(yáng) 電池開路電壓退化的規(guī)律包括不同能量電子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律和不同能 量質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律；
[0009] 步驟三、根據(jù)帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律的數(shù)據(jù)，使用太陽(yáng)電池 開路電壓退化模型進(jìn)行非線性擬合得到多子濃度損傷系數(shù)a n，從而得到載流子去除率R。， 其中，載流子去除率R。為多子濃度損傷系數(shù)a "與載流子濃度的乘積；
[0010] 步驟四、根據(jù)載流子去除率R。建立多子濃度變化的基本規(guī)律；其中，多子為多數(shù)載 流子；
[0011] 步驟五、利用PC1D太陽(yáng)電池模擬分析程序模擬帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池的光譜 響應(yīng)和伏安特性，進(jìn)而得到電池多子濃度隨入射粒子能量變化的基本規(guī)律。
[0012] 發(fā)明效果
[0013] 本發(fā)明基于太陽(yáng)電池開路電壓退化模型非線性擬合電池電學(xué)參數(shù)退化的實(shí)驗(yàn)規(guī) 律，通過(guò)獲得多子濃度損傷系數(shù)分析多數(shù)載流子的輸運(yùn)性質(zhì)。以不同能量的質(zhì)子輻照結(jié)果 為例，本發(fā)明給出不同能量的質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池多數(shù)載流子濃度損傷系數(shù)隨質(zhì)子能量變 化的基本規(guī)律，如圖3所示。此外，使用PC1D太陽(yáng)電池模擬程序獲得載流子濃度隨入射粒 子注量變化的基本規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)果的科學(xué)性。以IMeV電子輻照結(jié)果為例，采 用開路電壓退化模型進(jìn)行非線性擬合得到的多子去除率約為67CHT 1，而使用PC1D程序分析 所得結(jié)果約為24. 03cm'研宄結(jié)果存在差異恰恰說(shuō)明太陽(yáng)電池多數(shù)載流子去除效應(yīng)是開 路電壓退化的主要原因之一，此外空間電荷區(qū)產(chǎn)生的輻照損傷缺陷也是太陽(yáng)電池開路電壓 退化的主要原因。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為【具體實(shí)施方式】五提出的IMeV電子輻照下GaAs/Ge太陽(yáng)電池開路電壓退化 規(guī)律及非線性擬合曲線；
[0015] 圖2為實(shí)施例提出的IMeV電子輻照下GaAs/Ge太陽(yáng)電池多子濃度隨電子注量變 化的基本規(guī)律；
[0016] 圖3為【具體實(shí)施方式】一提出的不同能量的質(zhì)子輻照下多子濃度損傷系數(shù)隨質(zhì)子 能量變化的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0017] 一：本實(shí)施方式的一種分析空間單結(jié)太陽(yáng)電池多數(shù)載流子輸運(yùn)的方 法，具體是按照以下步驟制備的：
[0018] 步驟一、基于空間帶電粒子輻照下半導(dǎo)體材料的載流子輸運(yùn)模型和太陽(yáng)電池能帶 模型建立太陽(yáng)電池開路電壓退化模型；
[0019] 步驟二、建立太陽(yáng)電池開路電壓退化的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律；通過(guò)空間輻射環(huán)境地面等 效模擬試驗(yàn)獲得帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律；其中，帶電粒子輻照下太陽(yáng) 電池開路電壓退化的規(guī)律包括不同能量電子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律和不同能 量質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律；
[0020] 步驟三、根據(jù)帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律的數(shù)據(jù)，使用太陽(yáng)電池 開路電壓退化模型進(jìn)行非線性擬合得到多子濃度損傷系數(shù)a n，從而得到載流子去除率R。， 其中，載流子去除率R。等于多子濃度損傷系數(shù)a "與載流子濃度的乘積；
[0021] 步驟四、根據(jù)載流子去除率R。建立多子濃度變化的基本規(guī)律；其中，多子為多數(shù)載 流子；
[0022] 步驟五、PC1D程序模擬分析結(jié)果；利用PC1D太陽(yáng)電池模擬分析程序模擬帶電粒子 輻照下太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)和伏安特性，進(jìn)而得到電池多子濃度隨入射粒子能量變化的基 本規(guī)律。
[0023] 本實(shí)施方式效果：
[0024] 本實(shí)施方式基于太陽(yáng)電池開路電壓退化模型非線性擬合電池電學(xué)參數(shù)退化的實(shí) 驗(yàn)規(guī)律，通過(guò)獲得多子濃度損傷系數(shù)分析多數(shù)載流子的輸運(yùn)性質(zhì)。以不同能量的質(zhì)子輻照 結(jié)果為例，本實(shí)施方式給出不同能量的質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池多數(shù)載流子濃度損傷系數(shù)隨質(zhì) 子能量變化的基本規(guī)律，如圖3所示。此外，使用PC1D太陽(yáng)電池模擬程序獲得載流子濃度 隨入射粒子注量變化的基本規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)果的科學(xué)性。以IMeV電子輻照結(jié)果 為例，采用輻照損傷模型進(jìn)行非線性擬合得到的多子去除率約為67CHT 1，而使用PC1D程序 分析所得結(jié)果約為24. 03cm'研宄結(jié)果存在差異恰恰說(shuō)明太陽(yáng)電池多數(shù)載流子去除效應(yīng) 是開路電壓退化的主要原因之一，此外空間電荷區(qū)產(chǎn)生的輻照損傷缺陷也是太陽(yáng)電池開路 電壓退化的主要原因。
【具體實(shí)施方式】 [0025] 二：本實(shí)施方式與一不同的是：步驟一中基于空間帶 電粒子輻照下半導(dǎo)體材料的載流子輸運(yùn)模型和太陽(yáng)電池能帶模型建立太陽(yáng)電池開路電壓 退化模型具體過(guò)程為：
[0026] 基于空間帶電粒子輻照下半導(dǎo)體材料的載流子輸運(yùn)模型和太陽(yáng)電池能帶模型建 立太陽(yáng)電池開路電壓退化模型：
[0027]
(1)
[0028] 帶電粒子輻照前，帶電粒子輻照注量〇=0時(shí)，則內(nèi)建電壓爻
IJ 歸一化開路電壓退化模型
[0_
(2)
[0030] 式⑵與太陽(yáng)電池的工程應(yīng)用模型在形式上一致，式中，表示空間帶電粒子輻 照前太陽(yáng)電池的開路電壓；V。。分別表示空間帶電粒子輻照后太陽(yáng)電池的開路電壓； n(l為輻 照前的多數(shù)載流子濃度，h為本征載流子濃度；a "為多子濃度損傷系數(shù)，0)為帶電粒子輻 照注量；kB為玻耳茲曼常數(shù)、T為溫度、q為電子電量。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一 相同。
【具體實(shí)施方式】 [0031] 三：本實(shí)施方式與一或二不同的是：步驟二中不同能 量電子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律具體為：
[0032] (1)由于電子輻照下空間太陽(yáng)電池的損傷效應(yīng)存在原子發(fā)生位移的能量閾值，所 以電子輻照的電子能量大于200keV，電子輻照的入射電子能量要求選擇4~6個(gè)能量值；
[0033] (2)根據(jù)常見實(shí)驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)，選取電子能量分別為1、2、4和lOMeV供參考使用； 電子注量的選取要依據(jù)電池電學(xué)參數(shù)退化幅度而定，要求電池最大功率的退化幅度達(dá)到輻 照前的75%以下，所選取的電子注量值在4個(gè)以上。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或 二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0034] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是：步驟二中不 同能量質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律具體為：
[0035] (1)由于小于200keV質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)的退化與入射質(zhì)子能量密切 相關(guān)；小于200keV質(zhì)子能量的選擇根據(jù)SRIM帶電粒子輻照效應(yīng)模擬程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行， 選取在電池中射程末端分別處于電池發(fā)射區(qū)、空間電荷區(qū)和基區(qū)的質(zhì)子能量值，選取3~5 種不同能量的質(zhì)子；
[0036] (2)大于200keV質(zhì)子輻照下太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)的退化幅度隨入射質(zhì)子能量的增 高而減小，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體參數(shù)，選取能量間隔為1~3MeV的質(zhì)子能量值3~5 種；質(zhì)子注量的選取要依據(jù)電池電學(xué)參數(shù)退化幅度而定，要求電池最大功率的退化幅度達(dá) 到輻照前的75%以下，所選取的電子注量值在4個(gè)以上。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】 一至三之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0037] 五：本實(shí)施方式與一至四之一不同的是：步驟三中根 據(jù)帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓退化規(guī)律的數(shù)據(jù)，使用太陽(yáng)電池開路電壓退化模型進(jìn) 行非線性擬合得到多子濃度損傷系數(shù)a n，從而得到載流子去除率Re=n a n具體過(guò)程為：
[0038] 利用方程（2)使用Origin程序分析軟件對(duì)帶電粒子輻照下太陽(yáng)電池開路電壓 退化規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合得到多子濃度損傷系數(shù)a n，進(jìn)而計(jì)算載流子去除率Re = nan;其中，方程（2)中相應(yīng)參數(shù)的初值根據(jù)太陽(yáng)電池的實(shí)際制備工藝參數(shù)確定；
[0039] 本發(fā)明以IMeV電子福照下GaAs/Ge太陽(yáng)電池的退化結(jié)果為例使用Origin程序分 析軟件進(jìn)行非線性擬合，如圖1所示；圖1為IMeV電子輻照下GaAs/Ge太陽(yáng)電池開路電壓 退化規(guī)律及其非線性擬合曲線。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0040] 六：本實(shí)施方式與一至五之一不同的是：步驟四中根 據(jù)載流子去除率R。建