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--> --> -->除了带电粒子辐照损伤外, 温度对太阳电池的输出性能也有很大影响. 近地轨道向阳面温度可高达200 ℃, 因此研究200 ℃以下退火太阳电池的输出性能具有实际意义. Loo等[9]对AlGaAs/GaAs太阳电池进行了1 MeV电子和15—40 MeV质子辐照后性能退化规律及热退火效应的研究. 美国Hughes实验室[10,11]和NASA Langley研究中心[12,13]对单结GaAs电池进行了带电粒子辐照损伤实验与热退火实验. 在辐照过程中的少子扩散长度的缩短和多子去除效应是Ge基GaAs电池的短路电流和开路电压损伤的主要原因[14]. 1 MeV电子辐照后的单结GaAs电池在200 ℃真空退火15 h后输出短路电流完全恢复, 在200 ℃以下退火光谱响应(QE)和短路电流有所恢复. 200 ℃热退火使质子辐照后的单结GaAs电池输出性能部分恢复[15]. 日本丰田工业大学研究人员对不同结构的GaInP太阳电池进行了电子辐照实验以及退火研究, 结果表明GaInP子电池在退火过程中缺陷浓度降低, 电学性能恢复[16]. 此外, 光照和正向偏置条件下的少数载流子注入对GaInP子电池的退火有增强作用. 通过计算得到GaInP电池的热退火激活能为1.1 eV. PL测试显示热退火使得In0.16Ga0.84As/GaAs少子寿命恢复, 这是由于热退火使得电池位错运动, 导致线缺陷浓度降低[17]. 一般来说, 太阳电池样品外延生长后, 对其芯片处理过程中会对其进行15 min 350 ℃热退火处理, 此工艺可增强电池样品上下电极的欧姆接触, 减小其串联电阻; 同时可以大幅减少由外延生长引入的原生缺陷, 从而保证电池样品的性能与热稳定性. 目前, 关于IMM4J电池及In0.3Ga0.7As子电池和In0.58Ga0.42As子电池带电粒子辐照缺陷的退火效应研究还未见报道.
本文对1 MeV电子辐照后IMM4J太阳电池关键子电池InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)进行了热退火实验, 深入研究两种InGaAs子电池的光特性与暗特性, 得到了两种子电池的光输出性能、光谱响应性能与暗电路参数的变化规律, 并计算得到两种InGaAs子电池的热退火激活能.
图1(a)给出了InGaAs(1.0 eV)的子电池结构, 在GaAs层与InGaAs(1.0 eV)之间外延生长了3000 nm的晶格常数渐变缓冲层. P型掺杂浓度为1 × 1017 cm–3, 厚度为3000 nm; N型掺杂浓度为2 × 1018 cm–3, 厚度为100 nm. 图1(b)给出了InGaAs(0.7 eV)子电池结构, 在GaAs层与InGaAs(1.0 eV)之间和InGaAs(1.0 eV)与InGaAs(0.7 eV)之间分别外延生长了3000 nm的渐变缓冲层. 在N型In0.58Ga0.42As和P型In0.58Ga0.42As之间含有本征层, 形成PIN结构. P型掺杂浓度为1 × 1017 cm–3, 厚度为3000 nm; N型掺杂浓度为1 × 1018 cm–3, 厚度为300 nm; 本征层厚度为100 nm. 图2是两种InGaAs子电池样品在AM1.5G光谱条件下的I-V特性曲线. 在室温下, InGaAs(1.0 eV)子电池的开路电压Voc, 短路电流Isc, 最大输出功率Pmax分别为0.5089 V, 18.25 mA和7.3 mW. InGaAs(0.7 eV)子电池的开路电压Voc, 短路电流Isc, 最大输出功率Pmax分别为0.2529 V, 11.66 mA和1.94 mW.
![](https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2020/22/PIC/22-20200557-1_mini.jpg)
Figure1. Configurations of the InGaAs (1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub-cells: (a) InGaAs (1.0 eV); (b) InGaAs (0.7 eV).
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Figure2. IV curves of the InGaAs(1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub-cells: (a) InGaAs(1.0 eV); (b) InGaAs (0.7 eV).
1 MeV电子辐照使用黑龙江技术物理研究所的高压电子加速器. 在大气室温环境下进行1 MeV电子辐照实验, 辐照通量选择为1 × 1011 cm–2·s–1, 最大注量为1 × 1015 cm–2. 辐照后样品在60—180 ℃暗置开路条件下退火180 min. 在退火过程中温度稳定度为 ±1 ℃. 分别在退火0, 3, 5, 10, 15, 30, 60, 120 和180 min时对样品进行光特性I-V测试、暗特性I-V测试以及光谱响应测试. 本实验光特性I-V测试使用上海赫爽HSC1型太阳电池测试系统, 暗特性I-V测试使用美国Keithley 2636 A双通道系统数字源表, 光谱响应测试使用美国PV Measurements公司QEX10型太阳电池量子效率测试系统.
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Figure3. The trajectory of 1 MeV electron in InGaAs (1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub cells: (a) InGaAs(1.0 eV) ; (b) InGaAs (0.7 eV).
两种InGaAs子电池除栅线的表面覆有130—140 nm左右单晶Al2O3钝化层来减少电池表面光反射损失, 增加光透射来提高光电转换效率. 为此, 对辐照前和1 MeV电子辐照1 × 1015 cm–2后的电池样品, 经超声波清洗表面后, 进行了原子力显微镜(AFM)测试, 结果如图4所示. 结果显示样品表面有凹凸不平的减反射层结构, 辐照前后样品表面粗糙度均方根Rms分别为7.213和7.362 nm, 可见1 MeV电子辐射电池对样品表面粗糙度几乎不产生影响, 可以近似忽略表面损伤对电性能的影响.
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Figure4. Surface morphology and cross section of InGaAs sub-cell before and after 1 MeV electron irradiation by AFM: (a) The unirradiated sub-cell; (b) the sub-cell after 1 × 1015 cm–2 electron irradiation; (c) the cross section comparison.
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3.1.光性能
不同样品之间具有一定的个体差异, 因此对电性能参数P进行了归一化处理. 即开路电压Voc、短路电流Isc和最大输出功率Pmax是太阳电池最主要的输出参数. 分析太阳电池Voc, Isc和Pmax辐照前后和退火过程中的变化规律可以研究其辐照损伤效应和退火效应. 表1和表2列出两种子电池辐照前后的Voc, Isc和Pmax绝对值和剩余率. 辐照后InGaAs(1.0 eV)子电池比InGaAs(0.7 eV)的Voc和Isc剩余率分别大5%左右, Pmax大15%左右. InGaAs(1.0 eV)子电池的抗辐照性能略好. 辐照过程中, Voc的退化程度应小于Isc[18-20]. 本文两种子电池的Voc退化程度略大于Isc. 这是由于样品本征缺陷较多, 导致初始的Isc较低, 电子辐照缺陷对电池的Isc退化产生的作用效果降低. InGaAs(0.7 eV)子电池的PN结中具有中性层结构, 结区厚度增加, 缺陷数量增加, 而Voc的退化主要源自结区. 因此, InGaAs(0.7 eV)子电池Voc退化程度更大.
InGaAs (1.0 eV) | Voc/V | Isc/mA | Pmax/mW |
未辐照 | 0.5089 | 18.25 | 7.30 |
辐照后 | 0.3093 | 11.57 | 3.56 |
剩余率 | 60.8% | 63.4% | 48.8% |
表11 MeV辐照前后InGaAs(1.0 eV)子电池的Voc, Isc和Pmax
Table1.Voc, Isc and Pmax of InGaAs(1.0 eV) sub-cells before and after electron irradiated.
InGaAs (0.7 eV) | Voc/V | Isc/mA | Pmax/mW |
未辐照 | 0.2529 | 11.660 | 1.940 |
辐照后 | 0.1428 | 6.950 | 0.653 |
剩余率 | 56.5% | 59.6% | 33.7% |
表21 MeV辐照前后InGaAs (0.7 eV)子电池的Voc, Isc和Pmax
Table2.Voc, Isc and Pmax of InGaAs (0.7 eV) sub-cells before and after electron irradiated.
不同退火温度下, 两种InGaAs子电池Voc, Isc和Pmax退火恢复规律如图5所示. 可以看出, Voc, Isc和Pmax逐渐恢复, 随着退火时间延长, 恢复速度逐渐降低. 退火60 min后, 参数基本不再变化, 且退火温度越高, 恢复程度越大. 在退火60 min时, 两种子电池Voc, Isc和Pmax恢复程度均已达到退火180 min时的85%以上. 当退火温度较低时, 两种子电池的Voc和Isc恢复程度均较小. 在较高温度退火下, InGaAs (0.7 eV)子电池的恢复程度更大. 两种电池的Pmax恢复程度大于Isc和Voc, 这是由于Pmax的恢复程度与I和V乘积有关.
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Figure5. Normalized Voc, Isc and Pmax curves of InGaAs sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.
结区对光生载流子的分离作用产生光电流, 而光生载流子源自结区自身的激发和基区扩散. 对于掺杂浓度较高的太阳电池器件来说, 其结区厚度较薄, 因此基区少子扩散是光电流的主要组成部分. 电子辐照在电池中引入辐照缺陷, 使得少子扩散长度降低, Isc下降; 而在退火过程中, 辐照缺陷逐渐减少, 少子扩散长度增加, Isc得以逐渐恢复. 在较低掺杂浓度下, 太阳电池Voc有如下关系[21]:
光谱响应测试可以测试太阳电池将不同波长光子转化为电子的能力, 是太阳电池光电转化效率的重要测试手段之一. 图6和图7分别是两种子电池在不同温度退火不同时间的光谱响应曲线. 从图中可以看出, 随着退火时间的延长, 太阳电池的光谱响应曲线逐渐升高, 这说明太阳电池光电转化性能逐渐恢复. 从InGaAs (1.0 eV)子电池的EQE曲线中可以明显地看出, 长波区EQE下降程度较大. 太阳电池对光子的吸收与光子入射深度有关. 在太阳电池吸收波长范围内, 短波长光子优先在入射深度较浅的区域激发出光生载流子, 入射深度越大的区域吸收的光子波长越大. 根据太阳电池结构, N型区厚度远远小于P型区厚度, 长波段光子主要在P型区深处被吸收. 在电子辐照产生均匀损伤的前提下, P型区缺陷数量增加较大. 在P型区越深处产生的载流子扩散到结区前被复合的概率越大. 故而在辐照及退火过程中, EQE曲线长波段相应变化较大. 而对于InGaAs (0.7 eV)子电池, 不同波段的EQE变化差异性不是很明显, 这是由于InGaAs (0.7 eV)子电池样品原生缺陷浓度过高造成的.
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Figure6. EQE curves of InGaAs (1.0 eV) sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.
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Figure7. EQE curves of InGaAs (0.7 eV) sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.
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3.2.暗特性
太阳电池是一种典型的肖特基二极管器件, 其暗特性曲线与常规PN结I-V曲线类似. 本文采用双指数模型[22]对两种子电池暗特性I-V曲线进行拟合来分析扩散电流Is1、复合电流Is2、串联电阻Rs和并联电阻Rsh在退火过程中的变化. 双指数模型I-V曲线满足:InGaAs (1.0 eV) | Rs/Ω | Rsh/Ω | Is1/A | Is2/A |
未辐照 | 1.5 | 4.3 × 104 | 3.6 × 10–7 | 4.2 × 10–7 |
辐照后 | 6.2 | 5.3 × 103 | 6.4 × 10–5 | 6.5 × 10–5 |
剩余率 | 4.13% | 0.123% | 178% | 155% |
表3辐照前后InGaAs (1.0 eV)子电池Rs, Rsh, Is1和Is2
Table3.Rs, Rsh, Is1 and Is2 of InGaAs (1.0 eV) sub-cells before and after electron irradiated.
InGaAs (0.7 eV) | Rs/Ω | Rsh/Ω | Is1/A | Is2/A |
未辐照 | 2.9 | 1.3 × 104 | 2.7 × 10–5 | 3.3 × 10–5 |
辐照后 | 7.5 | 1.4 × 103 | 1.4 × 10–4 | 1.9 × 10–4 |
剩余率 | 2.59% | 0.108% | 5.19% | 5.76% |
表4辐照前后InGaAs (0.7 eV)子电池的Rs, Rsh, Is1和Is2
Table4.Rs, Rsh, Is1 and Is2 of InGaAs (0.7 eV) sub-cells before and after electron irradiated.
图8是两种InGaAs子电池不同温度下退火不同时间暗特性曲线拟合所得Rs, Rsh, Is1和Is2的归一化变化曲线图. 可以看出两种InGaAs子电池各个暗特性拟合参数均有所恢复, 退火温度越高, 恢复速率越快, 且恢复速率随着时间的延长逐渐减慢. 在退火60 min后, 两种子电池的性能参数变化不再明显. 两种子电池的Rs和Rsh恢复程度相近, InGaAs (1.0 eV)子电池的Rs和Rsh恢复程度较InGaAs (0.7 eV)子电池略大. 而两种InGaAs子电池的Is1和Is2恢复程度差异较大, InGaAs (1.0 eV)子电池的Is1和Is2恢复程度远大于InGaAs (0.7 eV)子电池.
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Figure8. Rs, Rsh, Is1 and Is2 curves of InGaAs sub-cells annealing at different temperatures.
Rs主要取决于电池的体电阻, 与整体缺陷浓度有关, 可以用于衡量基区、发射区质量. Rsh反应太阳电池中的漏电流, 与结区缺陷浓度有关, 用于衡量结区质量. 从样品原始值上看, InGaAs (1.0 eV)子电池的Rs小于InGaAs (0.7 eV)子电池, 说明InGaAs (1.0 eV)子电池本征缺陷数量少于InGaAs (0.7 eV); InGaAs (1.0 eV)Rsh大于InGaAs (0.7 eV), 说明InGaAs (1.0 eV)的漏电流更小, 结区质量更好. 在辐照过程中, 两种子电池的Rs增大, 虽然变化比例不同, 但差值相当, 这说明电子辐照引入的缺陷数量基本相当; 两种子电池的Rsh减小, 且两者变化比例相当, 说明损伤程度相近. 在退火过程中, Rs逐渐减小, Rsh逐渐增大, 这反映了电子辐照引入的缺陷逐渐减少, 漏电流减小. 在180 ℃退火180 min后, 两种子电池的Rs下降相当, 而Rsh增加程度有差别, 这是由于在并联电阻较大时, 漏电流较小, 考虑到误差问题, 可以认为漏电流恢复程度接近. Is1产生于耗尽层附近一个少子扩散长度内的载流子复合. Is2是耗尽层中杂质或辐照中心作为复合中心引起的电流. 在辐照过程中, 两种子电池的耗尽层和结区附近缺陷浓度升高, 复合概率增加, Is1和Is2均会增大; 在退火过程中, 两种子电池的耗尽层和结区附近缺陷浓度下降, 载流子复合概率减小, Is1和Is2均会减小. InGaAs (1.0 eV)子电池的Is1和Is2变化程度远大于InGaAs (0.7 eV)子电池. 由于InGaAs (0.7 eV)子电池具有PIN结构, 它的结区较厚, 结区附近及结区内部存在本征缺陷数量较多, 由辐照引入的缺陷浓度变化造成的影响将不再明显.
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3.3.激活能
本文研究的太阳电池热退火激活能是指带电粒子辐照引起的损伤缺陷在恢复过程中所需的最小能量, 这一参数可以反映带电粒子引起的辐射缺陷稳定程度, 另一方面也可以表征不同太阳电池样品辐射缺陷不同温度下的恢复能力. 太阳电池的输出短路电流密度Jsc与缺陷浓度N有关. 本节建立Jsc与N的等效模型, 并以此模型计算两种子电池的热退火激活能Ea.对于太阳电池Jsc有如下关系:
太阳电池少数载流子寿命与复合中心NR有如下关系:
InGaAs (1.0 eV) 退火温度 | 未辐照Jsc/mA) | 退火时间 Jsc/min·mA–1 | ||||||||
0 | 3 | 5 | 10 | 15 | 30 | 60 | 120 | 180 | ||
60 ℃ | 13.57 | 10.26 | 10.26 | 10.28 | 10.29 | 10.31 | 10.38 | 10.41 | 10.48 | 10.53 |
90 ℃ | 13.31 | 10.19 | 10.21 | 10.23 | 10.28 | 10.30 | 10.34 | 10.39 | 10.41 | 10.46 |
120 ℃ | 13.75 | 10.41 | 10.46 | 10.49 | 10.57 | 10.65 | 10.78 | 10.79 | 10.81 | 10.84 |
150 ℃ | 13.51 | 10.31 | 10.43 | 10.59 | 10.84 | 11.07 | 11.68 | 11.73 | 11.83 | 11.98 |
180 ℃ | 13.55 | 10.38 | 10.72 | 10.96 | 11.46 | 11.90 | 12.50 | 12.67 | 12.85 | 12.88 |
表5辐照及热退火过程中InGaAs (1.0 eV)子电池Jsc变化
Table5.Jsc of InGaAs (1.0 eV) sub-cell in irradiation and thermal annealing.
InGaAs (0.7 eV) 退火温度 | 未辐照 Jsc/mA | 退火时间 Jsc/min·mA–1 | ||||||||
0 | 3 | 5 | 10 | 15 | 30 | 60 | 120 | 180 | ||
60 ℃ | 8.17 | 6.27 | 6.27 | 6.27 | 6.31 | 6.32 | 6.36 | 6.40 | 6.45 | 6.47 |
90 ℃ | 8.33 | 6.46 | 6.47 | 6.48 | 6.53 | 6.53 | 6.55 | 6.59 | 6.63 | 6.67 |
120 ℃ | 8.28 | 6.19 | 6.21 | 6.22 | 6.24 | 6.28 | 6.33 | 6.35 | 6.42 | 6.44 |
150 ℃ | 8.24 | 6.15 | 6.18 | 6.21 | 6.25 | 6.29 | 6.45 | 6.71 | 6.79 | 6.82 |
180 ℃ | 8.25 | 6.2 | 6.25 | 6.3 | 6.44 | 6.51 | 6.8 | 7.34 | 7.59 | 7.69 |
表6辐照及热退火过程中InGaAs (0.7 eV)子电池Jsc变化
Table6.Jsc of InGaAs (0.7 eV) sub-cell in irradiation and thermal annealing.
结合(7)式和(8)式, 将N?_anneal与N?作比值, 即得到(9)式:
退火温度 | α[InGaAs (1.0 eV)/s–1] | α[InGaAs (0.7 eV)/s–1] |
60 ℃ | 1.74 × 10–3 | 1.47 × 10–3 |
90 ℃ | 4.09 × 10–3 | 2.43 × 10–3 |
120 ℃ | 7.33 × 10–3 | 4.70 × 10–3 |
150 ℃ | 2.52 × 10–2 | 7.38 × 10–3 |
180 ℃ | 5.72 × 10–2 | 1.82 × 10–2 |
表7不同退火温度下InGaAs (1.0 eV)和InGaAs (0.7 eV)子电池缺陷浓度变化系数α拟合值
Table7.Fitting value of the variation defect concentration coefficient(α) of InGaAs sub-cell at different annealing temperatures.
对(12)式两侧同时取对数, 整理后有:
图9中拟合曲线的斜率与玻尔兹曼常数k的积的绝对值即为子电池的热退火激活能Ea. 通过计算得到, InGaAs (1.0 eV)子电池热退火激活能为0.38 eV, InGaAs (0.7 eV)子电池热退火激活能为0.26 eV, 说明相同热退火条件下InGaAs (1.0 eV)子电池缺陷稳定性更强, 输出性能恢复程度较小, 这也是3.1节光性能退火效应结果中InGaAs (0.7 eV)子电池Isc, Voc, Pmax电性能恢复程度更大的根本原因.
![](https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2020/22/PIC/22-20200557-9_mini.jpg)
Figure9. Curve of logarithm of the defect concentration change coefficient (ln(α)) with reciprocal of temperature (1/T).