唐道遠，徐建明，李云鵬，竇鵬程，馬寧華，蔣 帥，吳 敏

（1.上海空間電源研究所空間電源技術(shù)國家重點實驗室，上海 200245；2.西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，陜西西安 710024）

0 引言

三結(jié)砷化鎵（GaInP/GaAs/Ge）太陽電池以其轉(zhuǎn)化效率高、抗輻照能量強等特點，近年來作為主電源系統(tǒng)［1-2］被廣泛應(yīng)用于各類航天器。當(dāng)航天器運行至地球陰影區(qū)時，太陽電池將無法工作，為此設(shè)計三結(jié)砷化鎵太陽電池與激光電池相結(jié)合的全天時電池翼，即在光照區(qū)時三結(jié)砷化鎵太陽電池工作，而在陰影區(qū)時，利用激光照射激光電池進行遠距離能量傳輸［3-4］。當(dāng)激光照射在三結(jié)砷化鎵太陽電池時，由于激光能量密度很高，會造成太陽電池的損傷，因此，有必要就三結(jié)砷化鎵太陽電池的激光損傷形式及機理進行分析。

本文采用1 315 nm波長的連續(xù)激光，模擬空間環(huán)境，在真空條件下輻照三結(jié)砷化鎵太陽電池，開展了激光損傷效應(yīng)研究。

1 實驗

1.1 三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)參數(shù)

實驗樣品為三結(jié)砷化鎵太陽電池，制作工藝主要包括有源層MOCVD沉積、柵線及背電極蒸鍍、抗輻照蓋片粘合固化等。電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，自上而下分別為抗輻照玻璃蓋片、蓋片膠、柵線、GaInP頂電池、GaAs中電池、Ge底電池、背電極。頂、中、底三個子電池的帶隙分別為1.85、1.42、0.67 eV，所對應(yīng)的響應(yīng)光譜波段分別為350～700 nm、700～880 nm、880～1 750 nm［7］。

圖1 三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of tri-junction GaAs solar cell

1.2 激光輻照實驗裝置及損傷表征

實驗系統(tǒng)包括連續(xù)式激光器、擴束裝置、光闌、真空腔室、紅外測溫及開壓檢測系統(tǒng)等，如圖2所示。激光器的波長為1 315 nm，光束經(jīng)擴束及光闌后，透過真空腔室的玻璃窗口，照射在三結(jié)砷化鎵太陽電池樣品表面。

圖2 太陽電池真空激光輻照實驗系統(tǒng)Fig.2 Laser irradiation system of solar cells in the vacuum

調(diào)節(jié)光斑大小使其完全覆蓋電池樣品，如圖3所示，采用功率計對激光功率值進行標(biāo)定，輻照時真空度達到10-3Pa以上，實時監(jiān)測輻照過程中太陽電池開路電壓及電池片溫度變化。

圖3 真空腔內(nèi)電池樣品及激光光斑Fig.3 Solar cell sample in the vacuum chamber and laser spot

三結(jié)砷化鎵太陽電池的激光損傷情況由實驗前后標(biāo)準(zhǔn)I-V電性能（AM0）、量子效率（QE）、SEM表面形貌三種測試進行表征。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光輻照中電池在線檢測

選擇2、5、8 W/cm23個激光功率密度參數(shù)，固定輻照時間為60 s，每個參數(shù)選取2個三結(jié)砷化鎵太陽電池樣品。

激光輻照過程中電池樣品溫度T的變化曲線（測溫儀量程自350 ℃起）如圖4所示。溫度曲線基本分為3個階段，即溫升段、熱平衡段、降溫段。在溫升段，隨功率密度增大，溫升梯度增大顯著；在熱平衡段，隨功率密度增大，熱平衡溫度逐漸增加，3個功率密度分別對應(yīng)420 ℃、620 ℃、670 ℃；在降溫段，由于熱源的消失，電池樣品溫度驟降。

2017年，中宣部確定了主題出版重點出版物選題共97種（圖書77種，音像電子出版物20種），其中紀(jì)念建軍90周年的18種（圖書13種、音像電子出版物5種）。深化黨中央治國理政新理念新思想新戰(zhàn)略的17種（見表1）。[2]同時，主題遴選是從頂層設(shè)計角度對主題出版的總體規(guī)劃，也是輿論宣傳中明晰的議程設(shè)置。

圖4 輻照過程中電池樣品溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the solar cell samples during irradiation

激光輻照過程中開路電壓Voc的變化曲線如圖5所示，隨著電池溫度的升高，Voc迅速降低。

圖5 輻照過程中電池樣品開壓變化曲線Fig.5 Opening voltage change curves of the solar cell samples during irradiation

理想的PN結(jié)太陽電池開路電壓Voc可表示為

也可以寫成

當(dāng)忽略小負(fù)數(shù)項時，該式可改寫為

式中：A與溫度無關(guān)；Eg0為00C時電池半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；γ包含確定I0的其余參數(shù)中與溫度有關(guān)的因素，其數(shù)值通常在1～4范圍內(nèi)。

對該式求導(dǎo)，并考慮

可以得到

可以看出，隨著溫度升高，Voc近似線性減小。更加精確的計算表明GaInP頂電池dVoct/dT≈-2.2 mV·K-1，GaAs中電池dVocm/dT≈-2.0 mV·K-1，Ge底電池dVocb/dT≈-1.8 mV·K-1。三結(jié)砷化鎵太陽電池Vtriple=Vt+Vm+Vb，因此，dVoc/dT≈-6.0 mV·K-1［8-9］。由于三結(jié)砷化鎵太陽電池樣品Voc在2 600 mV左右（AM0，25℃），可以得到電池溫度為450 ℃時，Voc趨近于0 V。

實驗結(jié)果也證實了Voc隨溫度升高而降低的此近似線性的負(fù)溫度系數(shù)。5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品，分別在輻照后10 s和7 s后，溫度到達450 ℃，Voc降為0 V；2 W/cm2功率密度對應(yīng)的電池樣品，由于在輻照60 s內(nèi)最高溫度未超過450 ℃，因此Voc的變化曲線與溫度T曲線保持反向一致，最低值約為0.2 V。輻照結(jié)束后，2 W/cm2和5 W/cm22個功率密度對應(yīng)的電池樣品，Voc隨著溫度的降低而逐漸恢復(fù)；8 W/cm2功率密度對應(yīng)的2個電池樣品中，有1個電池樣品Voc發(fā)生明顯衰降，無法恢復(fù)。

2.2 激光輻照后電池性能表征

真空激光輻照實驗后電池樣品的外觀圖片如圖6所示。2 W/cm2電池樣品前后表面沒有發(fā)生明顯變化；5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品，前后表面都有明顯燒蝕的痕跡，這是由于蓋片膠、背電極層在高溫下發(fā)生熱分解。雖然經(jīng)模式變化光斑能量趨于均勻，但在電池表面激光能量還是呈現(xiàn)近高斯分布的特點，即中心區(qū)域能量密度更高，造成的熱分解效應(yīng)也更加明顯。

圖6 輻照后電池樣品正背面外觀Fig.6 Front and back appearance of the solar cell samples after irradiation

圖7為激光輻照后電池在AM0光譜下測試的標(biāo)準(zhǔn)I-V曲線，2 W/cm2電池樣品I-V性能與標(biāo)準(zhǔn)片比較沒有明顯的變化；5 W/cm2和8 W/cm22個功率密度的電池樣品I-V性能都發(fā)生了程度不同的衰降，8 W/cm2有一個電池樣品發(fā)生了明顯損壞。

圖7 輻照后電池樣品I-V 性能測試Fig.7 I-V parameters of solar cells after irradiation

各電池樣品激光輻照實驗后I-V性能的相對衰降率見表1。2 W/cm2電池樣品的各I-V參數(shù)基本沒有變化；5 W/cm2電池樣品的各I-V參數(shù)均有一定程度的下降，其中Vm、Im衰降率均在6%左右，Eff衰降率約13%；8 W/cm2電池樣品的各參數(shù)衰降進一步擴大，Vm、Im衰降率均在18%左右，Eff衰降率約35%，對于發(fā)生損壞的電池樣品，Voc、FF衰降率大于35%，Eff衰降率大于70%。

表1 輻照后電池樣品IV參數(shù)相對衰降率Tab.1 Relative I-V degradation rates of the solar cell samples after irradiation %

激光輻照實驗后電池串聯(lián)電阻（Rs）與并聯(lián)電阻（Rsh）的測試數(shù)值如圖8所示。2 W/cm2和5 W/cm2電池樣品Rs、Rsh變化規(guī)律不明顯；8 W/cm2電池樣品的Rs顯著增大，Rsh顯著減少。特別是損壞的電池樣品，Rsh值只有11 Ω，與正常的電池樣品比較降低了2個數(shù)量級。

圖8 輻照后電池樣品串并聯(lián)電阻值Fig.8 Resistance values of the solar cell samples in series and parallel after irradiation

圖9和表2為輻照后電池樣品QE測試結(jié)果。可以看出2 W/cm2電池樣品的各子電池量子效率與標(biāo)準(zhǔn)片比較沒有明顯變化，5 W/cm2電池樣品的頂電池與底電池量子效率發(fā)生部分衰降，8 W/cm2電池樣品的頂電池與底電池發(fā)生嚴(yán)重衰降。

圖9 輻照后電池樣品量子效率Fig.9 QEs of the solar cell samples after irradiation

表2 輻照后電池樣品各子電池光譜響應(yīng)電流Tab.2 Spectral response current of sub-cells of the solar cell samples after irradiation mA·cm-2

表3和圖10為輻照（8 W/cm2，60 s）前后電池背電極SEM圖及EDS元素分析。背電極采用與P型Ge襯底具有良好歐姆接觸的Pd/Ag/Au復(fù)合金屬層，可以看出輻照前電極層致密連續(xù)，表面EDS譜圖Au元素特征峰顯著；輻照后背電極層發(fā)生了明顯的形貌變化，金屬層不再致密連續(xù)，呈現(xiàn)相互獨立的點狀分布，EDS元素分析表明Ge襯底已大面積裸露，點狀區(qū)域呈現(xiàn)相關(guān)金屬元素與Ge的合金態(tài)，Pd/Ag/Au結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞。

表3 輻照前后背電極表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Element mass fractions of the back electrode surface before and after irradiation %

圖11所示為輻照（8 W/cm2，60 s）前后電池截面SEM圖，可以看出與輻照前比較，蓋片膠基本已氣化消失，玻璃蓋片與電池裸片層已經(jīng)完全分離。

圖10 背電極表面SEM及EDS輻照前后對比Fig.10 SEM images and EDS spectra of the back electrode surface before and after irradiation

圖11 電池樣品截面SEM輻照前后對比Fig.11 SEM images of the solar cell sample section before and after irradiation

3 激光輻照損傷機理分析

由于激光波長為1 315 nm，光子能量未達到頂電池GaInP和中電池GaAs的禁帶寬度，對兩者無光電效應(yīng)，絕大部分的光子將穿過頂電池和中電池達到底電池。在Ge底電池發(fā)生光電效應(yīng)，電子吸收光子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成光生載流子，在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，底電池兩端光生載流子大量聚集。當(dāng)產(chǎn)生的漂移電場與內(nèi)建電場相互平衡時，產(chǎn)生的新光生載流子將完全復(fù)合，并與聲子相互作用，將激光能量完全轉(zhuǎn)換為熱能被底電池吸收。

典型的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池由近20層材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每層材料質(zhì)量都會影響器件性能。高溫將加劇內(nèi)部摻雜原子的熱擴散作用，破壞有序的摻雜結(jié)構(gòu)。由于頂電池采用具有場助收集效應(yīng)的n+-n-/p--p+結(jié)構(gòu)［10-11］，底電池采用減薄型GaAs-Ge異質(zhì)界面擴散結(jié)構(gòu)［12］，使得頂電池與底電池對于熱擴散破壞效應(yīng)更加敏感，高溫將破壞內(nèi)建電場對光生載流子的有效輸運，增大界面復(fù)合，嚴(yán)重影響頂電池與底電池載流子收集，使電池串聯(lián)電阻Rs增大，并電阻Rsh減小。此外高溫引起背電極金屬層的變形，Pd/Ag/Au結(jié)構(gòu)被破壞，Ge襯底大面積裸露，將影響電池層與電極層的歐姆接觸，進一步增大電池的串聯(lián)電阻Rs。

圖12為太陽電池等效電路圖，其輸出I-V特性方程為

式中：Iph為光生電流；ID為暗電流；Ish為漏電流。

圖12 太陽電池等效電路圖Fig.12 Equivalent circuit diagram of the solar cell

根據(jù)特性方程，串聯(lián)電阻Rs的增大與并聯(lián)電阻Rsh的減小都將降低電池的填充因子FF，而且高的Rs值和低的Rsh值還會分別減小Isc和Voc，如圖13所示。

圖13 太陽電池I-V 特性曲線Fig.13 I-V characteristic curves of the solar cells

5 W/cm2功率密度電池樣品會迅速升至500 ℃以上，引起蓋片膠（硅氧烷類材料）中硅氧鍵的熱裂解，降低其透光性，主要影響電池的Isc。8 W/cm2功率密度將引起蓋片膠發(fā)生劇烈的裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的小分子硅氧化合物使蓋片膠發(fā)生氣化，造成中心區(qū)域的體積膨脹。膨脹引起機械應(yīng)力與溫度驟變的熱應(yīng)力會在電池樣品內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，使得電池材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的復(fù)合中心與漏電通道，嚴(yán)重降低電池的并聯(lián)電阻Rsh，使得電池Voc大幅度衰降。

4 結(jié)束語

真空環(huán)境下采用波長1 315 nm連續(xù)激光輻照三結(jié)砷化鎵（GaInP/GaAs/Ge）太陽電池，實驗表明：5 W/cm2功率密度輻照60 s會造成電池性能的損傷，8 W/cm2功率密度輻照60 s會造成電池性能的損壞，效率Eff衰降超過70%。5～8 W/cm2功率密度范圍，三結(jié)砷化鎵電池?fù)p傷程度隨功率密度增加而增大，但電池樣品是否發(fā)生損壞與樣品本身特性關(guān)系密切，即損壞表現(xiàn)出隨機性。

損傷機理是熱損傷與應(yīng)力損傷的綜合作用：高溫將破壞三結(jié)砷化鎵太陽電池內(nèi)部摻雜結(jié)構(gòu)，引起蓋片膠與背電極材料的熱分解，主要影響頂電池與底電池對載流子的收集，增大串聯(lián)電阻Rs，減小并聯(lián)電阻Rsh。蓋片膠熱解膨脹引起的機械應(yīng)力與熱應(yīng)力的綜合作用將在電池材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，進一步減小并聯(lián)電阻Rsh，引起開路電壓Voc大幅度降低，最終造成電池的損壞。該結(jié)果對三結(jié)砷化鎵太陽電池在激光無線能量傳輸中的應(yīng)用研究具有一定的參考價值。