仇恒抗，姜德鵬，楊 琴，劉廣明

(1.上?？臻g電源研究所，上海 200245；2.上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所，上海 201109)

砷化鎵太陽(yáng)電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間電源系統(tǒng)，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展變化，其效率不斷提高，從最初效率為17%[1]的單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，到效率為22%[2]的雙結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，再到當(dāng)今國(guó)際上批產(chǎn)效率達(dá)30%的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池[3]。目前我國(guó)批產(chǎn)效率為30%的三結(jié)GaInP/GaAs/Ge太陽(yáng)電池已進(jìn)入工程化應(yīng)用階段[4]，滿足了衛(wèi)星、深空探測(cè)以及多功能航天運(yùn)輸系統(tǒng)等對(duì)能源的需求。

國(guó)內(nèi)外在空間用高效多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池方面，主要技術(shù)路線為通過(guò)調(diào)整各結(jié)材料的帶隙，選擇更加適用于吸收空間光譜的子電池組合，如將光譜劃分后，選取對(duì)應(yīng)的三結(jié)、四結(jié)、五結(jié)甚至六結(jié)太陽(yáng)電池材料，分別進(jìn)行吸收，以達(dá)到高效轉(zhuǎn)換的目的。美國(guó)Spectrolab 實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)Fraunhofer 實(shí)驗(yàn)室均推出了光譜更加匹配的四結(jié)乃至五結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，Spectrolab 在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了36%效率太陽(yáng)電池的小面積實(shí)驗(yàn)室制備，其特點(diǎn)是通過(guò)多結(jié)電池串聯(lián)疊加得到更高的開(kāi)路電壓，但由于材料之間晶格不匹配等造成的組合困難，目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室小面積階段。

為突破三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池三結(jié)晶格匹配的效率極限，本研究通過(guò)增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，從而提高三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池電流密度，將太陽(yáng)電池效率提升至32%。該效率太陽(yáng)電池已成功應(yīng)用于PakTES-1A 衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣，在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果顯示電流最大誤差不大于0.5%，可為航天器用高面積比功率太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

帶隙組合為Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池(效率為30%)結(jié)構(gòu)中，頂、中、底子電池的電流密度分別為17.2、18、27 mA/cm2，底電池電流密度為頂中電池電流密度的1.5 倍以上[5]。過(guò)多的底電池電流對(duì)三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，最終將以熱能的形式釋放出來(lái)。為了進(jìn)一步提高三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率，減少光能損失，合理的三結(jié)電池帶隙組合需要被研究。

針對(duì)空間光譜和晶格匹配三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池原有結(jié)構(gòu)存在的限制，產(chǎn)品設(shè)計(jì)從輸入光譜劃分、材料選擇和電性能計(jì)算三方面開(kāi)展。

1.1 光譜劃分

30%效率三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池子電池電流過(guò)剩，通過(guò)調(diào)整頂、中電池帶隙，使頂中電池吸收光譜紅移，同時(shí)使頂、中、底電池電流盡量匹配，可以有效提升電池短路電流和轉(zhuǎn)換效率。選用Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池結(jié)構(gòu)，帶隙組合為1.87 eV/1.35 eV/0.67 eV，各子電池吸收光譜波段如表1所示。

表1 三結(jié)太陽(yáng)電池子電池帶隙與吸收波段關(guān)系

太陽(yáng)電池的電流密度計(jì)算公式：

式中：x為計(jì)算波段的起始波長(zhǎng)，y為計(jì)算波段的終止波長(zhǎng)，x≤i≤y；λi為該波段光子的波長(zhǎng)；Wi為波長(zhǎng)為λi時(shí)的光照功率；QEi為波長(zhǎng)為λi時(shí)的量子效率。

理想情況下，假定QE不隨光子波長(zhǎng)的變化而變化，為常數(shù)1，則在理想情況下，太陽(yáng)電池的電流密度計(jì)算簡(jiǎn)化為：

根據(jù)太陽(yáng)電池太陽(yáng)光譜分段及電流密度計(jì)算公式，可知理想情況下，各子電池電壓及電流分布如表2 所示，頂中電池的電流密度劃分較為合理，比30%效率太陽(yáng)電池的電流密度提升約15%。

表2 理想情況下各子電池電流密度劃分

1.2 材料選擇

在三結(jié)電池結(jié)構(gòu)中增加頂電池GaInP 和中電池InGaAs的In 組分，可以降低頂中電池的帶隙寬度，但頂、中電池材料與Ge 襯底之間晶格失配，外延生長(zhǎng)會(huì)引入失配位錯(cuò)等大量缺陷，限制電池光電轉(zhuǎn)換效率。因此，對(duì)于晶格失配空間電池外延，解決了晶格失配帶來(lái)的位錯(cuò)也就能解決32%效率的空間電池的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文引入應(yīng)力漸變緩沖層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池，首先在Ge 襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的GaInP 初始層、InGaAs 緩沖層以及GaAs 窄帶隙隧穿結(jié)(TJ1)，接著通過(guò)InGaAs 應(yīng)力漸變緩沖層將電池的晶格常數(shù)從Ge 逐漸增加到目標(biāo)晶格層Ga0.94In0.06As，晶格失配度為0.3%，最后依次生長(zhǎng)與Ga0.94In0.06As 晶格完全匹配的中電池、寬帶隙隧穿結(jié)(TJ2)、頂電池以及Cap 層。Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池上子電池各層材料依然選用與晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結(jié)電池相似的材料，但是不同的In 組分保證各層材料間的晶格匹配。

底電池材料選用Ge，采用擴(kuò)散的形式，在P-Ge 襯底上形成底電池，禁帶寬度為0.67 eV，晶格常數(shù)為0.565 75 nm。

中電池材料選用InGaAs，為獲得較高的電流密度，中電池采用In0.06Ga0.94As 材料，禁帶寬度為1.34 eV，晶格常數(shù)采用InGaAs 材料的晶格常數(shù)計(jì)算公式[6]：

可知，In0.06Ga0.94As 材料的晶格常數(shù)為0.567 76 nm。

頂電池采用與中電池匹配的GaInP 材料，禁帶寬度為1.86 eV，晶格常數(shù)為0.567 76 nm，做到與中電池匹配。根據(jù)InGaP 材料的晶格常數(shù)計(jì)算公式[6]：

可知，要做到與中電池InGaAs 材料晶格匹配，需要生長(zhǎng)54.3%In 組分的InGaP。

根據(jù)晶格常數(shù)失配度公式：

式中：δs為外延材料相對(duì)于襯底的晶格失配度；as為襯底材料的晶格常數(shù)；ae為外延層的晶格常數(shù)。

由失配度公式及襯底與外延層的晶格常數(shù)可知中電池與底電池的晶格失配為：

頂電池做到與中電池匹配，即頂電池與中電池的晶格失配度為0，與底電池Ge 材料的晶格失配度為-0.355%。

1.3 電學(xué)特性

根據(jù)研究，Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)電池中Ga0.94In0.06As 中電池顯示了最弱的抗輻照性能，故子電池電流設(shè)計(jì)為頂限5%左右。三結(jié)電池Voc由三結(jié)子電池Voc和隧穿結(jié)壓降共同作用形成，最低的隧穿結(jié)壓降可以獲得最高的三結(jié)電池Voc。晶格匹配Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge 三結(jié)電池性能參數(shù)如表3 所示，隧穿結(jié)壓降設(shè)計(jì)如表4 所示。

表3 效率32%電池各子電池電壓及電流設(shè)計(jì)

表4 隧穿結(jié)壓降設(shè)計(jì)

最終獲得的Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)太陽(yáng)電池在AM0、25 ℃條件下電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%。表5 為效率30%和效率32%電池產(chǎn)品典型性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比。

表5 效率30%和效率32%電池產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)參數(shù)

2 產(chǎn)品性能及在軌應(yīng)用

2.1 子電池性能

太陽(yáng)電池外量子效率測(cè)試曲線如圖1 所示。每個(gè)子電池的短路電流密度Jsc是由該電池的外量子效率EQE(即將入射光子轉(zhuǎn)換為光生載流子的能力)和入射光譜Φinc(λ)共同決定的。即：

通過(guò)對(duì)外量子效率測(cè)試曲線進(jìn)行積分可得，三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池頂電池(GaInP)電流密度為19.0 mA/cm2，中電池(GaAs)電流密度為19.8 mA/cm2，底電池(Ge)電流密度為23.2 mA/cm2。

圖1 太陽(yáng)電池外量子效率測(cè)試曲線

2.2 鑒定批性能

完成結(jié)構(gòu)定型和攻關(guān)試驗(yàn)后，對(duì)32%效率的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池產(chǎn)品進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，鑒定批生產(chǎn)合格率為86.11%。合格太陽(yáng)電池的效率檔主要分布在31.86%～32.66%，平均光電轉(zhuǎn)換效率為32.42%，效率分布如圖2 所示，其中效率大于32%的太陽(yáng)電池?cái)?shù)占合格電池?cái)?shù)的83.33%。

圖2 鑒定合格的太陽(yáng)電池效率分布

鑒定電池批平均開(kāi)路電壓Voc為2 662 mV；其中開(kāi)路電壓≥2 640 mV的電池占比100%，完成該項(xiàng)指標(biāo)。平均短路電流密度Jsc為19.4 mA/cm2；其中短路電流密度≥19.1 mA/cm2的電池占比100%。產(chǎn)品典型性能參數(shù)如下：開(kāi)路電壓Voc為2 660 mV；短路電流密度Jsc為19.1 mA/cm2；最佳工作點(diǎn)電壓Vmp為2 350 mV；最佳工作點(diǎn)電流密度Jmp為18.45 mA/cm2；平均光電轉(zhuǎn)換效率為32%。太陽(yáng)電池產(chǎn)品實(shí)物及I-V曲線如圖3所示。

圖3 32%效率的砷化鎵太陽(yáng)電池產(chǎn)品實(shí)物及I-V曲線

2.3 在軌應(yīng)用

32%效率砷化鎵太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)了一系列的地面鑒定試驗(yàn)，已應(yīng)用于巴基斯坦PakTES-1A 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣(圖4)，并通過(guò)了型號(hào)規(guī)定的力學(xué)、熱學(xué)等試驗(yàn)考核。所用太陽(yáng)電池尺寸為60.5 mm×40 mm，典型Vmp為2 350 mV，典型Jmp為18.45 mA/cm2。

圖4 PakTES-1A科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

PakTES-1A 太陽(yáng)電池陣面積為2.5 m2(2 塊展開(kāi)板與1 塊體裝板，衛(wèi)星如圖4 所示)，衛(wèi)星母線電壓29.5 V，要求3 年壽命末期太陽(yáng)電池陣輸出功率不小于600 W。采用32%效率太陽(yáng)電池，設(shè)計(jì)出太陽(yáng)電池陣末期功率輸出為604 W，衛(wèi)星入軌以來(lái)，太陽(yáng)電池陣工作正常、性能穩(wěn)定，部分子陣遙測(cè)電流如表6 所示，SG1 采集量52%、74%表示占空比的百分比。

表6 PakTES-1A 衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣部分遙測(cè)數(shù)據(jù)

SG1 與SG5 子陣地面測(cè)試值如表7 所示。

表7 PakTES-1A 太陽(yáng)電池陣部分地面測(cè)試數(shù)據(jù)

在軌遙測(cè)為母線下太陽(yáng)陣電流，地面測(cè)試值也為母線下電流，再考慮日地因子、溫度、光照角等因素進(jìn)行折算至近似在軌狀態(tài)，具體如下：

式中：I0為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽(yáng)電池陣母線下工作電流；βIP為電流規(guī)范化平均溫度系數(shù)；Top為太陽(yáng)電池工作溫度；T0為太陽(yáng)電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度；Fm為各種因子。按在軌條件折算后輸出如表8 所示。

表8 地面測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換至在軌條件下輸出

在軌遙測(cè)為7 月份數(shù)據(jù)，除去日地因子(約0.97)后，在軌遙測(cè)值與地面測(cè)試值比較如表9 所示，二者差距僅為-0.2%和0.5%，遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)一致性較好。

表9 在軌遙測(cè)電流與地面測(cè)試結(jié)果對(duì)比

研制的正裝小失配32%(AM0，25 ℃)效率三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，小批量合格率達(dá)到86%以上，在AM0、135.3 mW/cm2、測(cè)試溫度25 ℃的條件下，平均光電轉(zhuǎn)換效率32.4%，產(chǎn)品通過(guò)了地面鑒定試驗(yàn)、型號(hào)地面試驗(yàn)考核及型號(hào)在軌驗(yàn)證。產(chǎn)品大大提升了航天電源的配套能力，可在后續(xù)空間工程廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

為突破三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池三結(jié)子電池晶格匹配的效率極限，在充分繼承國(guó)內(nèi)外工程化應(yīng)用的30%效率三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的材料體系基礎(chǔ)上，本文采用了晶格小失配Ga0.46In0.54P/Ga0.94In0.06As/Ge 三結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加頂電池與中電池中In 組分，降低頂、中電池的帶隙，將太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率提升至32%。該太陽(yáng)電池已成功應(yīng)用于PakTES-1A衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣，在軌兩個(gè)子陣遙測(cè)電流數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算對(duì)比，與地面同工況測(cè)試結(jié)果差異僅為－0.2%和0.5%。該高效三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間太陽(yáng)電池陣，提高了太陽(yáng)電池陣面積比功率，將航天器主電源發(fā)電能力提升到新的臺(tái)階。