[发明专利]一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法

摘要

一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，该方法有四大步骤：步骤一：GaAs太阳电池在空间环境中的一维模型的建立；步骤二：考虑空间粒子辐射损伤对载流子有效寿命的影响；步骤三：GaAs太阳电池温度的计算；步骤四：GaAs太阳电池性能退化的预测是通过计算伏安特性来实现。该方法考虑了空间热真空环境与辐射环境对GaAs太阳电池的耦合影响，通过建立GaAs太阳电池在空间环境中的一维模型，以少数载流子连续性方程为基础，数值计算GaAs太阳电池少数载流子寿命以及电池的稳态温度，从而得到GaAs太阳电池伏安特性，通过伏安特性便分析得到太阳电池性能的退化情况。本发明在空间用太阳电池电性能测试技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

主权项

1.一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述，是将GaAs太阳电池简化为一个p-n结通过金属电极外接负载；该一维描述仅显示了光生载流子的有效产生区域：发射区与基区，而忽略用于防止表面复合的工艺层即窗口层；该一维描述的假设条件如下：①电池三个维度上各向同性，故只考虑x方向；②电池上端即发射区顶部受到太阳入射光的光谱辐射与粒子辐射；③电池下端由于与基座粘接在一起，不接受外界的光谱辐射；步骤二：考虑空间粒子辐射损伤对载流子有效寿命的影响当半导体器件受到具有一定能量即大于或等于半导体材料的禁带宽度的带电粒子辐射时，半导体材料中的原子从排列整齐的品格位置发生位移，产生大量的空位和间歇原子，形成品格缺陷，成为电子空穴对的复合中心，使太阳电池的载流子寿命减小，电池性能出现退化，主要表现为短路电流J_sc、开路电压V_oc以及最大输出功率P_m的降低；根据少主载流子连续性方程，少子有效寿命是该方程中的重要参数，只有确定该参数值才能计算剩余少子浓度，并为后续计算光生电流以及伏安特性提供支持；空间粒子辐射损伤模型即载流子有效寿命表示为：式中：k为玻尔兹曼常数，T_cell为电池温度，σ_n为复合中心的俘获少数载流子电子的横截面积，σ_p为复合中心的俘获少数载流子空穴的横截面积，v_th，n/p为载流子热运动速率，N_t为复合中心浓度，E_t为GaAs材料中缺陷的电离能等级，E_i为带隙中值；这些物理参数中，k，T_cell，v_th，n/p和E_i与粒子辐射无关，其他参数值均会因粒子辐射产生变化，需要深能级瞬态谱测试来确定数值；步骤三：GaAs太阳电池温度的计算对于太阳电池温度的迭代求解，首先考虑光谱辐射能的传输，该过程的一维模型表示为φdIΔv(x,φ)dx=κΔv{rΔv2Ib,Δv[Tcell]-IΔv(x,φ)}---(2)]]>式中：r_Δv为频带Δv内的平均折射率；φ为折射角余弦值即φ＝cosθ；I_Δv(x，φ)为辐射强度I_v在频带Δv上的积分I_Δv＝∫_ΔvI_vdv    (3)I_b，Δv[T_cell]为普朗克方程在频带Δv上的积分，T_cell为电池温度；Ib,Δv[Tcell]=∫Δv2hv3c21exp(hvκTcell)-1dv---(4)]]>此外，κ_Δv为对频带Δv中的光谱的平均吸收系数，需要考虑间带κ_v，int、载流子κ_v，fc以及品格κ_v，lat三种光谱吸收过程，吸收系数总和为κ_v＝κ_v，int+κ_v，fc+κ_v，lat      (5)光谱辐射过程的边界条件遵循Snell定律和Fresnel定律，利用光谱辐射能传输方程得到电池体内吸收到的光谱辐射能GΔv(x)=2π∫-11IΔv(x,φ)dφ---(6)]]>从而得到频带Δv内的光生少子密度gΔv=∫Δvκv,int(x)Gv(x)hvdv]]>(7)=κΔv,int(x)GΔv(x)Δv∫Δv1hvdv]]>式中：h为普朗克常数；对于GaAs电池内部的热能传输，表示为一维平面系统中，考虑内部热量生成的稳态导热微分方程为ddx{c[T(x)]ddxT(x)}+Q(x)=0---(8)]]>该式可以确定电池体内的温度剖面；式中：c[T(x)]为与温度相关的热导率，Q(x)为电池体内的热量生成率；为便于模型分析，电池体内的温度梯度忽略不计，视其为一个等温体，记为T_cell，故上式第一项为0，即Q(x)＝0，具体地，电池体内热量生成由三部分组成Q(x)＝-S_r(x)+Q_thermal(x)+Q_nrr(x)＝0      (9)式中：S_r(x)为电池向外空间的热辐射能，Q_thermal(x)为光生少子跨越带隙生成的准稳态热能，Q_nrr(x)为光生少子的非辐射性复合过程产生的热量，其中：①电池体内对空间的热辐射是通过载流子或品格对光谱辐射能的吸收并热放射来实现的，表示为Sr(x)=∫0∞[κv,fc(x)+κv,lat(x)]{4πnv2(x)Ib,v[Tcell]-Gv(x)}dx]]>(10)=ΣΔv[κv,fc(x)+κv,lat(x)]{4πnΔv2(x)Ib,Δv[Tcell]-GΔv(x)}]]>式中：G_Δv(x)为电池体内吸收的光谱辐射能，I_b，v[T_cell]为普朗克方程在频带Δv上的积分，κ_v，fc为载流子对光谱的吸收系数，κ_v，lat为品格对光谱的吸收系数；②光生少子跨越带隙会产生热能，准稳态下其值Q_thermal(x)表示为Qthermal(x)=∫hv>Egκv,int(x)Gv(x)hv(hv-Eg)dv]]>(11)=ΣΔvκv,int(x)GΔv(x)Δv∫Δv,hv>Eg(1-Eghv)dv]]>③对于少主载流子的复合机理，GaAs作为直接带隙材料的复合过程分为非放射性性复合与放射性复合；非辐射性复合过程会以热能的形式向外释放，表示为Qnrr,n,p(x)=ΣΔvEgτn,pΔnn,p(x,Δv)---(12)]]>式中：Δn_n，p为剩余少子浓度，E_g为禁带宽度，τ_n，p为少数载流子寿命；此外，在计算温度时，还需要利用少数载流子连续性方程；根据GaAs电池空间环境中一维描述，少数载流子连续性方程为Dn,pd2Δnn,p(x)dx2-Δnn,p(x)τn,p+gΔv(x)=0---(13)]]>该连续性方程的两个边界条件为：①p/n区与耗尽层交界面：该交界面少子均被内建电场力吸引并完成复合，因此剩余少子浓度为零；Δnp|x=wn-xn=Δnn|x=wn+xp=0---(14)]]>②p/n区与金属化层交界面：考虑到发射区与基区为实际产生光生电流的区域，表面复合作用已被窗口层、缓冲层有效地抑制或抵消，因此认为该交界面的表面复合速率为0ms^-1，因此有DpdΔnn(x)dx|x=0=DndΔnp(x)dx|x=wn+wp=0---(15)]]>太阳电池温度的初值应为其进入指定轨道时的温度T_cell，0，故确定载流子扩散系数D_n，p与本征载流子密度N_i初值；将T_cell，0代入光谱辐射能传输方程，求得辐射强度I_Δv(x，φ)，将其在φ上积分求解太阳电池体内获得的光谱辐射能G_Δv(x)以及光生少子密度g_Δv(x)；将g_Δv(x)代入少数载流子连续性方程计算剩余少子浓度Δn_n，p(x)从而求解载流子非放射性复合所生成的热量Q_nrr，而G_Δv(x)用来计算与光生少子跨越带隙生成的准稳态热能Q_thermal(x)；根据式(9)，电池体内的总热量守恒，因此求解电池向外空间的热辐射能S_r(x)，从而解得电池温度T_cell，1，计算过程进入下一次迭代；经过上述迭代，电池温度收敛于某一恒定值或者在某一值左右震荡；步骤四：GaAs太阳电池性能退化的预测是通过计算伏安特性来实现首先需计算光生电流；光生电流由三部分组成：基区、发射区、耗尽层；其中，基区和发射区的光生电流密度分别与该区域内少子总浓度梯度在其与耗尽层交界面的值成比例Jp=-qDn∂nn∂x|x=wn-xn---(16)]]>Jn=qDp∂np∂x|x=wn+xp---(17)]]>式中：q为电子电荷；由于耗尽层内的载流子复合过程可以忽略，因此该区域内的光生少数载流子即光生少子越过p-n结到达对方区域均是由内建电场作用完成的，因此耗尽层内的电流密度表示为Jdz=q∫wn-xnwn+xpgΔv(x)dx---(18)]]>综上，频带Δv内的光生电流密度总和为各个区域内电流密度的叠加J_ph＝J_n+J_p+J_dz    (19)通过将所有频带Δv内的光生电流密度叠加，求得光谱辐射所产生的光生电流密度总和；当p-n结外接负载对外供电时，其两端会出现二极管电压V_D，该电压将破坏p-n结原有的平衡状态，同时该电压产生的电流与光生电流方向相反，称为二极管电流J_D；因此，工作状态下p-n结的有效电流密度表示为J＝J_ph-J_D(V_D)       (20)利用无入射光谱条件即黑暗状态下的连续性方程求解二极管电流密度J_D，即去掉式(13)中的光生少子生成率g_Δv(x)；相应地，边界条件调整为：①p/n区与耗尽层交界面：应考虑p-n结两端供电电压V_DΔnn|x=wn+xp=ni2Ndexp(qVDkTcell)---(21)]]>Δnp|x=wn-xn=ni2Naexp(qVDkTcell)---(22)]]>式中：N_d，a为受主与施主浓度，k为玻尔兹曼常数，V_D为二极管电压；②p/n区与金属电极交界面：该边界条件与含光生电流项的边界条件相同，见式(15)，根据上述的计算步骤，就得到相应的p-n结伏安特性曲线，利用伏安特性曲线就能确定太阳电池的三个关键电参数及性能退化情况。