一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法

文档序号:9273890阅读:467来源:国知局
一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分析多数载流子输运的方法,特别涉及一种分析空间单结太阳电池多 数载流子输运的方法。
【背景技术】
[0002] 空间太阳电池作为航天器的主电源暴露于外部空间,受空间带电粒子的辐照作用 在其内部产生辐照缺陷。微观缺陷成为多数载流子的陷阱和少数载流子的复合中心,从而 改变电池内部载流子的输运机制导致太阳电池电学参数发生明显退化甚至失效。研宄空间 太阳电池辐照损伤的微观机制对于优化太阳电池的设计参数、提高其抗辐射能力具有重要 意义。
[0003] 关于太阳电池电学参数退化规律方面的研宄已经进行了大量工作,空间带电粒子 辐照下太阳电池电学参数的退化幅度随入射粒子注量的增加而增大。小于200keV质子辐 照下电池电学参数的退化规律与入射粒子能量密切相关,大于200keV质子辐照下电池电 学参数的退化规律随入射质子能量的增高而减小。不同能量的电子辐照下太阳电池电学 参数退化幅度随入射电子能量的增高而增大。上述研宄结果都无法从根本上揭示空间太 阳电池的辐照损伤机理。关于太阳电池辐照微观缺陷的分析手段逐渐成熟,深能级瞬态谱 OLTS)方法能够分析不同能量和注量的空间粒子辐照下单结太阳电池内部辐照缺陷的类 型和浓度分布。光学深能级瞬态谱(ODLTS)方法在分析多结叠层太阳电池辐照缺陷方面也 得到应用。深能级瞬态谱方法虽然能够确定辐照损伤微观缺陷的类型和浓度分布,但是其 无法给出电池内部载流子输运性质的变化规律。而获得太阳电池内部载流子输运性质变化 的基本规律是揭示太阳电池辐照损伤机理的关键。目前,关于空间带电粒子辐照下太阳电 池内部载流子输运性质变化的分析手段还处于探索阶段。
[0004] 根据半导体物理的基本理论可知,太阳电池的开路电压主要取决于PN结两侧的 多数载流子浓度,空间带电粒子辐照下太阳电池开路电压的退化与多数载流子浓度的变化 密切相关。本发明专利提出一种分析太阳电池多数载流子输运机制的方法,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。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术无法给出空间带电粒子辐照下电池内部载流 子输运性质的变化规律的问题,而提出的一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方 法。
[0006] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的:
[0007] 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 模型建立太阳电池开路电压退化模型;
[0008] 步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律;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开路电压退化规律;其中,带电粒子辐照下太阳 电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能 量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律;
[0009] 步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据,使用太阳电池 开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数a n,从而得到载流子去除率R。, 其中,载流子去除率R。为多子浓度损伤系数a "与载流子浓度的乘积;
[0010] 步骤四、根据载流子去除率R。建立多子浓度变化的基本规律;其中,多子为多数载 流子;
[0011] 步骤五、利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子辐照下太阳电池的光谱 响应和伏安特性,进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基本规律。
[0012] 发明效果
[0013] 本发明基于太阳电池开路电压退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规 律,通过获得多子浓度损伤系数分析多数载流子的输运性质。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多数载流子浓度损伤系数随质子能量变 化的基本规律,如图3所示。此外,使用PC1D太阳电池模拟程序获得载流子浓度随入射粒 子注量变化的基本规律进行对比分析,验证结果的科学性。以IMeV电子辐照结果为例,采 用开路电压退化模型进行非线性拟合得到的多子去除率约为67CHT 1,而使用PC1D程序分析 所得结果约为24. 03cm'研宄结果存在差异恰恰说明太阳电池多数载流子去除效应是开 路电压退化的主要原因之一,此外空间电荷区产生的辐照损伤缺陷也是太阳电池开路电压 退化的主要原因。
【附图说明】
[0014] 图1为【具体实施方式】五提出的IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池开路电压退化 规律及非线性拟合曲线;
[0015] 图2为实施例提出的IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池多子浓度随电子注量变 化的基本规律;
[0016] 图3为【具体实施方式】一提出的不同能量的质子辐照下多子浓度损伤系数随质子 能量变化的关系曲线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0017] 一:本实施方式的一种分析空间单结太阳电池多数载流子输运的方 法,具体是按照以下步骤制备的:
[0018] 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 模型建立太阳电池开路电压退化模型;
[0019] 步骤二、建立太阳电池开路电压退化的基本实验规律;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开路电压退化规律;其中,带电粒子辐照下太阳 电池开路电压退化的规律包括不同能量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律和不同能 量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律;
[0020] 步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据,使用太阳电池 开路电压退化模型进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数a n,从而得到载流子去除率R。, 其中,载流子去除率R。等于多子浓度损伤系数a "与载流子浓度的乘积;
[0021] 步骤四、根据载流子去除率R。建立多子浓度变化的基本规律;其中,多子为多数载 流子;
[0022] 步骤五、PC1D程序模拟分析结果;利用PC1D太阳电池模拟分析程序模拟带电粒子 辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性,进而得到电池多子浓度随入射粒子能量变化的基 本规律。
[0023] 本实施方式效果:
[0024] 本实施方式基于太阳电池开路电压退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实 验规律,通过获得多子浓度损伤系数分析多数载流子的输运性质。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多数载流子浓度损伤系数随质 子能量变化的基本规律,如图3所示。此外,使用PC1D太阳电池模拟程序获得载流子浓度 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。以IMeV电子辐照结果 为例,采用辐照损伤模型进行非线性拟合得到的多子去除率约为67CHT 1,而使用PC1D程序 分析所得结果约为24. 03cm'研宄结果存在差异恰恰说明太阳电池多数载流子去除效应 是开路电压退化的主要原因之一,此外空间电荷区产生的辐照损伤缺陷也是太阳电池开路 电压退化的主要原因。
【具体实施方式】 [0025] 二:本实施方式与一不同的是:步骤一中基于空间带 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开路电压 退化模型具体过程为:
[0026] 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 立太阳电池开路电压退化模型:
[0027]
(1)
[0028] 带电粒子辐照前,带电粒子辐照注量〇=0时,则内建电压爻
IJ 归一化开路电压退化模型
[0_
(2)
[0030] 式⑵与太阳电池的工程应用模型在形式上一致,式中,表示空间带电粒子辐 照前太阳电池的开路电压;V。。分别表示空间带电粒子辐照后太阳电池的开路电压; n(l为辐 照前的多数载流子浓度,h为本征载流子浓度;a "为多子浓度损伤系数,0)为带电粒子辐 照注量;kB为玻耳兹曼常数、T为温度、q为电子电量。其它步骤及参数与【具体实施方式】一 相同。
【具体实施方式】 [0031] 三:本实施方式与一或二不同的是:步骤二中不同能 量电子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为:
[0032] (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要求选择4~6个能量值;
[0033] (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lOMeV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】一或 二相同。
【具体实施方式】 [0034] 四:本实施方式与一至三之一不同的是:步骤二中不 同能量质子辐照下太阳电池开路电压退化规律具体为:
[0035] (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;
[0036] (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】 一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0037] 五:本实施方式与一至四之一不同的是:步骤三中根 据带电粒子辐照下太阳电池开路电压退化规律的数据,使用太阳电池开路电压退化模型进 行非线性拟合得到多子浓度损伤系数a n,从而得到载流子去除率Re=n a n具体过程为:
[0038] 利用方程(2)使用Origin程序分析软件对带电粒子辐照下太阳电池开路电压 退化规律的数据进行非线性拟合得到多子浓度损伤系数a n,进而计算载流子去除率Re = nan;其中,方程(2)中相应参数的初值根据太阳电池的实际制备工艺参数确定;
[0039] 本发明以IMeV电子福照下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IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池开路电压 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。
【具体实施方式】 [0040] 六:本实施方式与一至五之一不同的是:步骤四中根 据载流子去除率R。建
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