背电场硅太阳能电池离子辐照效应

背电场硅太阳能电池离子辐照效应①② 哗 李世 鄢和平 武汉大学．武汉 430072) 空问太阳能电池受电子、质 子，以及重 离子辐照后，要 对背电场硅太阳能电池低能质子、高能质子、碳、氧离子辐照效应进行7研究。对辐 照前后太阳能 电池光 电参数进行测量，并甩 Mante—Carlo方法对辐照粒 子在硅中的 能量损失过程进行7模拟计算。结果明，各种离子辐照对太阳能电池的捐伤是不 同的。低能质子对开路电压的损伤比对短路电压的损伤太得多，而高能质子对开路 电压的损伤较低能质子的反而要 1，对短路电流的影响则明显大于低能质子的，我们 同时也对碳、氧离子与质子造成的损伤进行1比较。 关键词：堂皇墨 查旦堂皇垫 壁 翅墅墼查 !量 试一非电离能量损失 中图法分类号：TM914．41 Ion irradiation effects of BSF silicon solar cell CHEN Ye LI Shiqln YAN Hepin WANG Renhui c Wuhan University，Wuhan 430072l CHN) Abstract：Irradiated by electrons-protons and heavy ions-space solar cells are dam— aged．An irradiation effects of low energy proton-high energy broton-carbon and oxygen ions are StUdied for BSF silicon solar cel1．The measurement of photoelectric parameters of BSF silicon solar cells is carried Out before and after irradiated．and Monte— Carlo’s methods are used to calculate simulantly the energy losses of an irradlation particles in materia1．The results show that the solar cell damages irradiated by all kinds of the patti— des&re different The damage of open—circuit voltage by low energy proton is more than that of short—circuit voltage-in contrast-the damage of ope n—circuit voltage by high energy proton is less than that by low energy proton，and its effect on short—cir· cult current is obviously greater than that by low energy proton．At the slime times-the comparison between the damage caused by carbon-oxygen ions and particles aye made Keywords：Photoelectronic Devices-Silicon -Sotar Cell-Irradiation Effect-Charac． teristic Measurement-Nonionizing Energy Loss ①1996—01—03收稿；1996—08—20定稿 0国家教委基金资助项 目 } 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 半 导 体 光 电 l引 言 大阳能电池是当前航天飞行中的主要能 源，但由于外层空间存在着大量的字宙射线， 高能粒子的轰击．使电池性能退化，目前硅太 阳能电池仍然是卫星飞行所采用的主要电池 这种电池主要用于地球低轨道飞行的卫星。 空间辐射环境中的大量载能粒子(如质子、电 子、重离子等)对这种电池性能产生影响。多 年来国内外对这一溧部很重视．但工作主要 集中在电子、质子辐照方面。 2 实验说明 实验所采用的背电场 (BSF)硅太阳能电 池为n PP 结构(如图 1)，采用 n P结构是为 了提高电池的抗辐照能力I 。 背电场的存 在 p P’ 尉 I BSF硅太阳能电池绱梅 Fig 1 Struc【u of BSF silicon sdar cell 可减少背表面的复合作用，提高对光生载流子 的收集，同时 pp 层的存在还可减少串联 电 阻，增加开路电压。实验中把太阳能电池切成 1 cm×1 cm大小，分成三组，分别进行碳、氧、 质子辐照。实验是在北京大学重离子研究所 进行的。采用固定能量，改变注量，所得 各种粒子的能量，束流强度如表 1。注量都采 用 10⋯、10”、10 、10”数量级。低能质子辐照 是在武汉大学物理系加速实验室进行的，能量 为390 kev；电池的光电参数都是在天津电源 研究所测试的．测量 时，入射光模拟太阳光 AM 的空间辐照环境， 表 l辂照粒子的能量(E)和束流强度(J) Table 1 Energy and cttrnent density 0r particles 3 基本理论 稳定光照时太阳能电池的等效电路如图 2所示。对于理想的太阳能电池，卜一 特比 方程为 Rs 图 2 太 能电池等敬}乜路 F’g 2 h vakn【cIrcu lar cel ，=， [e 1]一，『 (1) 开路电压为 V = 1n哼川 (2) 如果考虑到电池的势垒复合、串联电阻．以及 旁路电阻的影响，则光照 ，一 特性方程变为 ，= ， +，【l。e ti(3) 其中：V =V一限 。 式(3)中，第一项为复合电流，第二项是扩散电 流，第三项是旁路电阻引起的漏电流，最后一 项即光生电流。 太阳能电池的短路电流主要取决于光生 载流子的收集，而开路电压与光生电流、反向 饱和电流．以及掺杂关系密切。 献提高开路 电 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 1期 陈 哗等： 背电场硅太阳能电池离子辐照效应 53 压。可以通过减小反向饱和电流、增大短路电 流来实现。 对于 BSF硅太阳能电池，由于背电场的 存在。其开路电压应修正为[ ] V 。= V +V (4) 式中，、， 是高低结 OP‘引起的光电压，它随 基区电阻率的增加而增加，这与i3． P结区的正 好相反。 4 实验结果 图3清楚地显示出低能质子(300 keY)辐 照前后背电场硅太阳能电池开路电压(V )和 短路电流(， )退化百分比。很明显，300 keY 质子对背电场硅太阳能电池开路电压的损伤 比短路电流损伤严重得多。而图4则表明，高 能质子对太阳能电池 、， ，f 损伤程度接近， 但随着注量的增大，f 下降更快些。 图5、6显示的是碳、氧离子辐照损伤曲 线，与高能质子损伤的相比要严重得多。若以 效率为参数．注量为 6．8×10 e／cm2的碳离 子与 8 0×10 e／cm2注量的质子损伤差不 多。因此其损伤比超过两个数量级。我们在 高能质子、碳、氧离子辐照实验中都观察到开 路电压的损伤随注量的增大而趋缓，这是一个 0 “ 1011 1O 10 z) 赁子漉量(c ) 图3 骶能质子归一化损伤(30o keV) Fig．3 Normalized damage of BSF Si solar cell after low energy proton i~adiation(300 keV) 1 魁 O 誊。 士o O 质子 流量(em2) 图 4 高能质子归一化损伤(3．5 MeV) Fig 4 Norma lized damage of BsF Si solar cell after high energy proton irradiation (3．5MeV) 1．0 0-8 要o．6 0．4 0 lOt‘ 1O 】O 碳离 淀 (∞ ) 图 5 碳离子归一化损伤(7，5 MeV) F 5 Normalized damage of BSF Si solar cell after carbon ion irradiation(7 5 MeV) 氧离子流量(cm ) 图 6 氧离子归一化损伤(8 0 MeV) Fig 6 Nccma iized damage of BSF Si,~olar cell after oxygen ion irradiation(8．0 MeV) ． r．．。。r．，．．r，．．．r．，． rL 一 q 维普资讯 http://www.cqvip.com 半 导 体 光 电 1997年 2月 5 模拟计算 高能粒子与物质相互作用，通过电离和原 子位移过 程不断损失能量，以 Mantff—Carlo 方法为基础的 TRIM90模拟程序可以模拟入 射粒子与物质之问的相互作用．计算粒子的射 程，电离能量损失、非电离能量损失，并且可以 得到损伤随入射深度的分布。 图7、8分别示出的是质子、碳、氧离子在 硅中的非电离能量损失与粒子能量的关系曲 线。可以看出非电离能量损失与粒子能量 (E)有近似反比关系。图 9给出了 3．5 MeV 高能质子产生的损伤分布。很明显，主要损伤 发生在入射粒子射程的末端。碳、氧离子计算 结果类似，但其非电离能量损失要比3．5 MeV 质子的大 2～3个数量级。表 2总结了实验中 辐照粒子在硅中的射程和电离能量损失以及 非电离能量损失计算结果。 7 5 x10’ 4×10 3×10一 至2×i0 1 x10一‘ 0 质子 E，keV 蚓 7 埙子柞硅中的非电离能量损失 Fig 7 NIE[ of protons in silicon 基 l 铀 g =； 至 ．苦 图 8 碳，氧离子在硅中的非电离能量损失 Fig 8 NIEI of carbon and oxygen ions in silicon 深度(微米) 图 9 高能质子(3 5 MeV)在硅中产生的空位损伤分布 Fig 9 Distribution of acaIlci岱 in silicon after high energy proton(3．5 MeV)irradiation 衰 2辐照粒子的射程(Ll、电离能量损失 c dE／dxI和非电离能量损失[(dE／dx]．】 Table 2 Depth{L】，ionizing energy leas IdE／dx】and NIEL【c dE／dx】．]orl~rficles -_r {： 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 1期 陈 哗等： 背电场硅太阳能电池 离子辐照效应 55 6讨论和 太阳能电池的辐照损伤就其内部机制而言 是由于入射粒子在物质中引入缺陷，使材料参 数发生变化，导致电池性能退化而致。直接从 缺陷物理模型定量分析电学参数退化非常困 难。假定一定能量范围内缺陷对辐照的响应和 电学参数对损伤缺陷的响应都为线性，那我们 就可以把辐射注量和电学参数直接联系起来。 由于每个实验样品电学参数各不相同，我们只 关注其相对变化。 从300 keY低能质子和 3．5 MeV高能质 子损伤数据不难看出，同注量的低能质子对开 路电压的损伤比高能质子的严重得多．而对短 路电流的损伤则较高能质子的稍轻。从表 2可 知，3．5 MeV质子在硅中的射程达 120 m，而 300 keY质子射程仅 2．79／．trta。辐照对物质的 位移损伤并不是由入射粒子在物质中沉积的总 能量决定，而主要是 由非 电离能量损失决定 的_3j，而且在一定能量范围内其损伤因子反比 于能量(E)。高能粒子的损伤主要集中在射程 的末端。我们实验所用的电池结深约 0．5 m， 因此，高能质子主要损伤区在基区，而低能质子 的在 PN结区。基区损伤使少子寿命缩短，从 而减少光生载流子的收集；结区损伤将大大增 大结区复合电流分量。因此低能质子由于对结 区的损伤，反向饱和电流增大，主要导致开路电 压的损伤，而短路电流的变化则不及高能质子 损伤的变化。 文献 [4]研 究了常规 硅太阳能电池经 1 MeV电子辐照后的损伤，其结果显示常规硅太 阳能电池 j 退化最严重。注量为10 e／c 时 ， 退化为原来的 87．7％，而 v 退化为原来的 92．4％，这与本实验中质子辐照明显不同。这 是由于高能电子在硅中穿透能力强，基区损伤 基本上是均匀的。损伤缺陷的复合作用使少子 扩散长度缩短，从而大大减少了光生载流子的 收集，固此电子辐照对短路电流的损伤较严重。 对比3．5 MeV质子和1 MeV电子辐照实验 ]¨， 如果以功率损伤为参数，3．5 MeV质子的损伤 大约比 1 MeV电子损伤的大 9O倍。文章[4] 采用的是 P n常规硅电池，由于电子辐照损伤 主要发生在基区，而且 n型硅中电子辐照产生 的缺陷比 P型硅的大 100倍左右l5j，由此可推 知 3 5 MeV高能质子辐照对 n P型硅太阳能 电池损伤比 1 MeV 电子辐照损伤大近 4个数 量级。如果考虑非电离能量损伤与能量(E)的 反比关系，很容易得到 10 MeV质子辐照损伤 约比 1 MeV 电子辐照损伤大 3 000倍 (对 P 型)，这与文献[6]的一致。 从实验结果来看，碳、氧离子对 BSF硅太 阳能电池的损伤比质子的大得多。以效率为参 数，7．5 MeV碳离子和 3．5 MeV质子损伤，两 者损伤相差 100多倍。而从表 2可看到 7．5 MeV碳离子和3．5 MeV质子在硅中的非电离 能量损失约为 180倍，两者数据接近。事实上， 以效率为参数并不是一个精确的标准，文中的 比较只是一个定性的估计。如果直接测定缺陷 能级的浓度，那么将变得更有定量意义。 同时从高能质子、碳、氧离子损伤曲线来 看，我们都观察到随着注量的增加开路电压的 变化趋缓，高注量时甚至损伤会稍减。这种现 象我们认为是由于高低结(pp )上的光生开路 电压(V )} 偿作用引起的。固为 V 随 基区电阻率的增大而增大，固此当注入离子浓 度高时基区电阻率增大，会导致 V 增大，从 而补偿了n P结光电压(V )的下降。 7 结语 本文对背电场硅太阳能电池的低能质子、 高能质子、碳、氧离子辐照效应进行了初步的研 究，通过分析得到如下一些结论： 1低能质子主要损伤区在结区，这使得开 路电压严重下降； 2高能质子射程大，对基区损伤也较大，因 此短路电流下降较快； 3碳、氧离子对 BSF硅太阳能电池的损伤 (下转第65页) ---——-Il| r ≠ ， 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 1期 潘英设等： 强激光对光学薄膜的损伤机理 表面质量。对 已经选用的薄膜，还可采用激光 辐照预处理的办法。实践证明这一方法是行之 有效的。 参 考 文 献 l Rainer F Materials for optical coatings in the ultravi0一 let．App[．o口1，I985；24(4)：496～590 2李仲伢，孙 1 ．车成富 准分子激光对光学薄膜损 伤 ’ 圆激发．1993；20(11)：829--832 3 Gao I1 I ．Wang N Y Possible damage mechanism 0f the dielectric coatings for a KrF Laser．App[．Opt．．Iq93；32 (34)：7 084--7 088 4 Babb M T Coating quality ftom a damage tester’s point of view．Photon．Spectra．I989；23：95～102 5 Shaw KleinI J．Burns S』，jo~obs S D．ModelforIa5er damage dependence on thin— film morphology Appl 0D1．．1993；32(2I)：3 925--3 929 潘英俊 男．1980年毕业于 西南师范大学物理 系，1983 年在重庆大学获硕士学位。 1988～ 1990 年 在 日 本 Hokkaido大 学 电子 研 究 所 作访问作者，现 为重庆大 学 教授，主要I作是现代光学和光电子学的研究 和教学。感兴趣的领域是图像处理理论和应 用。现研究领域是光纤传感器、智能结构、有源 和无源纤维光学元件等。 (上接 第 54页) 要比质子的大得多。高注量时，对于碳、氧离子 子、高能质子辐照都观察到 r高低结(pp’)光 电压的补偿作用。 北京大学重离子所巩令华教授提供1辐照 条件，天津电源研究所戴忠涛主任、曹慧珠I程 师提供 7实验样品和测试便利，作者在此一并 致以谢意! 参 考 文 献 1 Rosenzweig W ．Gumel H K．S~nits F M．Solar cell degradation under I MeV electron bombardment．Bell Syst．Teeh．J．．1993；42：399 2方宝贤．吴光惠．杨 彦等．用准中性模型计算硅背 面场太阳电池的特性．太阳能学报，1984；5(2)：157 3WalterR』，Me．~senger S R．．~]mmers G P et Space radiation dfects in InP solar cdIs．IEEE TraTtS．Nuc1． Sci．I991；38(6)：1 153 4吴荣华，周海文 1MeV电子辐照对硅常规 电池性能 的影响 固体电子学研究与进展．1990；10(3)：307 5王家骅．李长健，牛文成箸．半导体器件物理 北京： 科学出版社，1983；354 6 Van Lint V A 』．Gigas G．Barengoit J．Correlation of displacement effect produced electrons，protons and rp~utTonsin Si IEEE Trans．Nucl Sci，1975；NS一22 f6)：2 663 陈 哗 男。1970年 5月 生，武汉大学物理系硕士研 究生。现 主 要 从 事 太 阳 能 电池 及 材料 的 辐照 效应 研 究。 维普资讯 http://www.cqvip.com