顏平遠, 涂潔磊, 張煒楠, 徐曉壯, 宋冠宇, 孫曉宇

(云南師范大學 太陽能研究所,可再生能源材料先進技術與制備教育部重點實驗室,云南 昆明 650500)

1 引 言

多結太陽電池因對太陽光譜充分利用具有比單結太陽電池更高的轉換效率以及更好的抗輻射性[1]，其中每個單獨的子電池吸收對應波長范圍的光并轉換為電流，因此子電池之間的電流匹配成為獲得高效多結太陽電池的關鍵因素.此外，在空間環(huán)境中存在許多帶電粒子[2]，當半導體器件暴露在這些帶電粒子環(huán)境下時會引起電學性能的退化進而影響其穩(wěn)定性.目前空間服役的是正向晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池，研究人員發(fā)現GaAs中電池在受到高能質子或電子輻照后損傷最為嚴重[3].Emcore團隊報道了1 MeV高能電子輻照下倒置生長(Invert metamorphic,IMM)四結太陽電池的損傷效應，發(fā)現ln0.3Ga0.7As(1.0 eV)子電池輻照后電學性能退化最嚴重[4-5],因此研究人員開始尋找方法來提高太陽電池的抗輻照能力,其中Emelyanov等人研究了GaAs電池在 3 MeV電子輻照下的性能變化，并驗證了添加布拉格反射器(DBR)結構的太陽電池理論上抗輻照的可行性[6].此外，目前DBR結構在三結太陽電池中已有相關應用[7]，但是在四結砷化鎵太陽電池中的應用還處于探索階段.

2 DBR的設計與模擬

2.1 DBR原理及相關計算

DBR是由外延法沉積出的多層高折射率和低折射率材料組成交替的周期性結構.當光射入這些不同折射率的材料對時，由于各膜層界面反射的光滿足光學干涉條件，這些光就會互相結合在一起形成反射光.當膜層的反射光束中相鄰兩光束的相位差為π時反射最強，并且當層數達到一定的周期時，在中心波長λ0范圍內的光便可實現接近100%的反射.DBR結構中的膜系恰恰能滿足每層材料的光學厚度d為中心反射波長的1/4并且在各界面的反射光發(fā)生干涉相長，高低折射率材料膜層厚度tH和tL分別滿足

tH=λ0/(4nH),tL=λ0/(4nL)

(1)

式中λ0為中心波長.nH是高折射率材料的折射率，nL是低折射率材料的折射率，DBR結構的前后接觸層折射率分別為n0和nS，膜系上層為高折射率層，假設材料無吸收損耗，則對應中心波長λ0的反射率可表示為

(2)

另外DBR結構高反射區(qū)的帶寬可以表示為

(3)

因此，DBR結構對數與材料折射率比值大小同反射率密切相關，高反射區(qū)帶寬只與兩種材料的折射率相關，折射率差值越大，帶寬越寬.

2.2 DBR材料選擇

從光譜角度考慮，為了提高多結太陽電池中電流限制結中的光電流，應該設法將電流限制結波長范圍內的光進行充分利用，為此通過減薄頂中電池厚度，減少光子在到達空間電荷區(qū)前的擴散過程中復合，并考慮在電流限制結下嵌入合適的DBR結構使其能夠反射光以提升子電池的電流，最終達到提高整個電池性能的目的.DBR結構的生長材料有很多種，經過理論分析并結合材料晶格匹配程度，發(fā)現能夠嵌入到多結太陽電池中的DBR生長材料主要有以下5種： AlInP/GaInP、AlAs/GaAs、GaInP/GaAs、AlInP/GaAs、AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs.在這幾種材料中，GaAs本身是子電池的材料會產生干擾，實際生產中高質量的AlInP又難以生長.因此AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs是生長布拉格反射器較為理想的材料，不同組分的AlGaAs膜層材料在波長300-1 800 nm的折射率對比如圖1所示.

從圖1中可以看出，折射率最高的是Al0.1Ga0.9As，折射率最低的是Al0.9Ga0.1As.結合中心波長范圍需控制在電流限制結光譜范圍內的設計目的，觀察該范圍內各材料折射率大小，最終選擇x=0.1,y=0.9，因此選定膜層材料為高折射率層Al0.1Ga0.9As，低折射率層為Al0.9Ga0.1As.

圖1 不同組分AlGaAs膜層材料的折射率與波長對應關系

2.3 中心波長選擇

文中的四結砷化鎵太陽電池為GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As，考慮到第三結子電池很有可能是電流限制結，所以設想在In0.3Ga0.7As子電池下方嵌入DBR結構.根據DBR設計原理，膜系高折射率層與低折射率層之間折射率比值越大越好，隨著波長大于880 nm，高折射率膜層Al0.1Ga0.9As與低折射率膜層Al0.9Ga0.1As的比值不斷下降.又因In0.3Ga0.7As子電池吸收光譜波段為880-1 250 nm，且四結砷化鎵太陽電池在900-1 000 nm范圍內光譜響應較低，因此選擇中心波長λ0為960 nm，根據公式(3)計算出該DBR結構的高反帶寬為165 nm，完全可以覆蓋四結太陽電池的低光譜響應區(qū)域，因此經過計算得到在960 nm處兩種膜層材料的折射率分別為3.48和3.08，對應的膜層厚度分別為67.19和80.76 nm.

2.4 DBR對數計算

使用Macleod軟件對引入四結砷化鎵太陽電池中的DBR結構進行模擬，充分考慮入射環(huán)境，設置中心波長960 nm，入射材質為In0.3Ga0.7As，基底材質為In0.58Ga0.42As，其中引入的這兩種材質對應的(n，k)譜分別如圖2所示.

利用Macleod軟件分別模擬生長10個和15個周期的Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As，波長分析范圍為300-1 800 nm，其反射率與波長的關系如圖3所示.進一步模擬發(fā)現膜層的周期數越大DBR的反射率越高，事實上當周期數達到20時反射率接近100%，此后周期數的增加反射率基本保持不變.當周期數超過15后，每增加一個周期，反射率的增幅就很小，而且在實際生產中膜層越多質量也越難保證.從圖3中看出在四結砷化鎵太陽電池的低光譜響應區(qū)900-1 000 nm范圍內，15個周期的DBR反射率超過70%，在中心波長處反射率更是高達98.4%，因此選定15個周期作為DBR的生長結構.

圖2 In0.3Ga0.7As和In0.58Ga0.42As材料的折射率和消光系數

3 DBR結構抗輻照驗證

3.1 實驗樣品制備

實驗樣品為3個IMM4J太陽電池，均通過金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)制備，每個樣品面積為3×4 cm2，并對各太陽電池進行1 MeV高能電子輻照實驗，輻照設備采用ELV-8電子加速器，在室溫和AM0(輻照功率為1 367 W/m2)條件下進行輻照實驗，電子能量選取1 MeV，瞬時通量為1×1011e/(cm2·s)，注量為1×1015e/cm2，輻照時間為10 000 s，輻照前后均進行I-V測試，對比分析輻照前后的電學性能參數.

圖3 不同周期對數的DBR結構反射率與波長對應關系

圖4 (a) A號太陽電池基準工藝結構;(b) B號太陽電池減薄GaInP、GaAs子電池厚度(c) C號太陽電池減薄GaInP、GaAs子電池厚度并嵌入DBR結構

圖4 (a)中的基準工藝是指正常外延條件生長的倒置四結砷化鎵太陽電池(IMM4J)；圖4 (b)中的頂中電池厚度減薄則是相對減少了第一結子電池GaInP和第二結子電池GaAs的基區(qū)厚度；圖4 (c)中在減薄頂中電池的基礎上，將15對Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR引入電池外延結構中.

3.2 實驗結果與分析

從圖5中可以看到在800-1 300 nm波長范圍內的A號電池和C號電池的反射率，結果發(fā)現實驗制備出來的含有DBR結構的太陽電池C在中心波長952 nm處的反射率最高，達到92.3%，且高反射區(qū)間在設計范圍內，實驗結果與Macleod軟件模擬結果差異不大，說明實驗已成功制備出了達到預期效果的電池.

通過對比表1中的數據發(fā)現，電子輻照之前，在基準外延工藝的基礎上減薄IMM4J電池中的頂中電池厚度之后，電池對光子的吸收能力降低，導致短路電流(Isc)和電池效率明顯降低.

經過電子輻照過后，太陽電池的電學性能會發(fā)生明顯衰減，主要原因是由于高能粒子輻照引入了深能級缺陷，并且這些缺陷作為復合中心，降低了光生載流子壽命，從而減少了光生載流子的擴散長度，降低了收集光子效率，最終導致各項電學性能降低.

圖5 DBR結構對太陽電池反射率的影響

表1 不同結構的太陽電池輻照前后電學性能影響

但是，通過對比A和B號太陽電池輻照前后性能的衰減程度發(fā)現，減薄頂中電池厚度的電池經過輻照之后，Isc和電池效率衰減程度均較小，且輻照之后的電學性能均比基準工藝要好，由太陽電池非輻射復合電流密度的公式[8](4-5)也可看出減小電池吸收區(qū)厚度可以減少非輻射復合電流密度，從而減少輻照缺陷造成電池的效率衰減，實驗結果表明減薄頂中電池厚度的電池輻照后電學性能的衰減幅度比正常工藝條件下的電池要小，而且輻照后的電學性能要比基準工藝條件下好.

JSRH≈JAe-(Eg-Eu)/2kTe-qV/2kT(eqV/kT-1)

(4)

(5)

同時，在減薄頂中電池厚度的基礎上，生長15對Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR結構在In0.3Ga0.7As子電池下方.觀察表1數據發(fā)現，在電子輻照之前，增加DBR結構之后，導致Isc和電池效率均明顯增大.這是由于DBR結構能夠對特定波段的光進行二次吸收，在一定程度上彌補了頂中電池減薄的影響，在經過電子輻照之后，C號電池輻照后的各項電學性能均要優(yōu)于A號電池和B號電池，這表明生長的這15個周期的DBR結構起到了良好的反射作用，明顯改善了四結砷化鎵太陽電池的電流衰減，提升了抗輻照性能.

4 結 論

提出在四結砷化鎵太陽電池中In0.3Ga0.7As子電池下生長DBR結構的設想，同時利用Macleod軟件理論計算出由15對Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As材料組成的適用于四結砷化鎵太陽電池的DBR結構，并且成功制備出含有該DBR結構的電池，最終模擬得出在中心波長960 nm處有98.4%的反射率,與實驗結果基本吻合.另外對比分析了有無該DBR結構的四結太陽電池電學性能輻照衰減，確定引入該理論DBR結構的四結太陽電池各項電學性能衰減幅度比未引入DBR結構電池要小，說明引入該DBR結構的四結砷化鎵太陽電池在抗輻照方面有積極作用，能夠改善電學性能衰減從而提升了抗輻照能力.