一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分析空间单结太阳电池少数载流子输运机制的方法。
【背景技术】
[0002] 航天器在轨服役期间要经历复杂恶劣的空间辐射环境，空间太阳电池作为航天器 的主电源必然遭受空间带电粒子的辐射作用。电池内部产生的辐照微观缺陷改变载流子的 输运性质造成太阳电池电学参数的明显退化甚至失效。探索空间太阳电池辐照损伤的内在 物理机制成为太阳电池辐照损伤效应研究的重要内容，而揭示空间太阳电池辐照损伤的内 在物理机制的关键在于分析太阳电池内部载流子输运的基本规律。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决空间带电粒子辐照下太阳电池内部辐照微观缺陷如何 影响载流子输运性质进而揭示太阳电池辐照损伤机理的问题，而提出的一种分析空间单结 太阳电池少数载流子输运的方法。
[0004] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 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 模型建立太阳电池短路电流退化的数学模型：
[0006]
(1).
[0007] 式中，A=qaF(l-R)eXp(-aXj)，q为电子电量，R为反射率，F(l-R)为入射光的 反射率为R时的总入射通量、a为吸收系数、x]为太阳电池的结深，L。为辐照前少数载流子 即少子的扩散长度，〇为辐照粒子注量，I为少子扩散长度损伤系数，e为自然指数，L。为 辐照前少子的扩散长度；
[0008] 辐照前〇= 〇时，
从而得到辐照后归一化的短路电流退 化模型：
[_]
⑵
[0010] 步骤二、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短 路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据包括不同能量 电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质子辐照下太阳电池短路电流退化规 律；
[0011] 步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流 退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数
[0012] 步骤四、根据少子扩散长度损伤系数I，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化 的基本规律；
[0013] 步骤五、根据太阳电池的基本结构参数利用PC1D太阳电池模拟程序模拟不同能 量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得到电池少子扩散长度随入射粒 子能量变化的基本规律。
[0014] 发明效果
[0015] 根据太阳电池的基本工作原理可知，太阳电池的电学参数主要取决于电池活性区 内光生少数载流子的扩散长度。本发明提出一种分析太阳电池少数载流子（少子）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。
[0016] 本发明基于太阳电池短路电流退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实验规 律，通过获得少子扩散长度损伤系数分析少子输运性质。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少数载流子扩散长度损伤系数随质子能量变 化的基本规律，如图4所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得扩散长度随入射粒子 注量变化的基本规律进行对比分析，验证结果的科学性。扩散长度损伤系数的模型分析结 果为2. 54X10 7,PC1D软件分析结果为2. 04X10 7。
【附图说明】
[0017] 图1为【具体实施方式】五提出的IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池归一化Iji!化 规律及非线性拟合曲线图；
[0018] 图2为【具体实施方式】一提出的IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池少子扩散长度 随入射电子注量变化的关系曲线图；
[0019] 图3为【具体实施方式】五提出的GaAs/Ge太阳电池基本结构参数示意图；
[0020] 图4为【具体实施方式】一提出的不同能量质子辐照后GaAs/Ge太阳电池少数载流子 扩散长度损伤系数随入射质子能量变化的关系曲线示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0021] 一：本实施方式的一种分析空间单结太阳电池少数载流子输运的方 法，具体是按照以下步骤制备的：
[0022] 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 模型建立太阳电池短路电流退化的数学模型：
[0023]
⑴
[0024] 式中，A=qaF(l-R)eXp(-aXj)，q为电子电量，R为反射率，F(l-R)为入射光的 反射率为R时的总入射通量、a为吸收系数、x]为太阳电池的结深；L。为辐照前少数载流子 即少子的扩散长度，〇为辐照粒子注量，I为少子扩散长度损伤系数；e为自然指数；L。为 辐照前少子的扩散长度；
[0025] 辐照前〇= 〇时，
从而得到辐照后归一化的短路电流退化 模型：
[0026]
(2)
[0027] 步骤二、建立太阳电池短路电流退化的数据，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短路电流退化规律；其中，空间带电粒子辐照下太阳电池 短路电流退化的数据包括不同能量电子辐照下太阳电池短路电流退化规律和不同能量质 子辐照下太阳电池短路电流退化规律；
[0028] 步骤三、根据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流 退化模型对电池短路电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数I;
[0029] 步骤四、根据少子扩散长度损伤系数I，得到少子扩散长度随入射粒子注量变化 的基本规律；
[0030] 步骤五、PC1D程序模拟分析结果；根据太阳电池的基本结构参数如图3利用PC1D 太阳电池模拟程序模拟不同能量的电子和质子辐照下太阳电池的光谱响应和伏安特性，得 到电池少子扩散长度随入射粒子了能量变化的基本规律，与步骤四的结果进行对比验证；
[0031] 本发明以IMeV电子辐照下GaAs/Ge太阳电池的退化结果为例，使用PC1D太阳电 池模拟分析程序在模拟分析电池光谱响应和IV特性的基础上建立多子浓度随入射电子注 量变化的基本规律，如图2所示。
[0032] 本实施方式效果：
[0033] 根据太阳电池的基本工作原理可知，太阳电池的电学参数主要取决于电池活性区 内光生少数载流子的扩散长度。本实施方式提出一种分析太阳电池少数载流子（少子）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。
[0034] 本实施方式基于太阳电池短路电流退化模型非线性拟合电池电学参数退化的实 验规律，通过获得少子扩散长度损伤系数分析少子输运性质。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少数载流子扩散长度损伤系数随质 子能量变化的基本规律，如图4所示。此外，使用PC1D太阳电池模拟程序获得扩散长度随 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。扩散长度损伤系数的模 型分析结果为2. 54X10 7,PC1D软件分析结果为2. 04X10 7。
【具体实施方式】 [0035] 二：本实施方式与一不同的是：步骤二中带电粒子辐 照的电子注量选择方法为：
[0036] (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 以电子福照的电子能量大于200keV，电子福照的入射电子能量选择4~6个能量值；
[0037] (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】一相 同。
[0038]
【具体实施方式】三：本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是：步骤二中带电粒 子辐照的质子注量选择方法为：
[0039] (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SR頂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；
[0040] (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，所选取的质子注量值在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】 [0041] 四：本实施方式与一至三之一不同的是：步骤三中根 据带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化规律的数据，使用短路电流退化模型对电池短路 电流退化数据进行非线性拟合，得到少子扩散长度损伤系数I的具体过程：
[0042] 利用方程（2)对带电粒子辐照下太阳电池短路电流退化的数据进行非线性拟合 得到少子扩散长度损伤系数I。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】 [0043] 五：本实施方式与一至四之一不同的是：步骤四中得 到少子扩散长度随入射粒子注量变化的基本规律具体为：
[0044] 在给定太阳电池基本制备工艺参数见图3的情况下将非线性拟合得到的少子扩 散长度损伤系数代入到+ = 中计算少子扩散长度L即确定不同能量的电子和质子 辐照下电池少子扩散长度变化的基本规律：
[0045]
[0046] 其中，非线性拟合采用Origin程序分析软件对太阳电池短路电流退化的数据进 行非线性拟合；方程（2)中相应参数的初值即辐照前的短路电流和扩散长度以及电池的结 深