高效多结电池光电耦合效应与抗辐射优化设计

发布时间：2020-06-25 04:56

【摘要】：多结电池是航天器电源系统中光电转换的核心器件。随着新材料(AlGaInP,InGaAs等)、新结构(柔性电池、倒置赝形结构)、新工艺(倒置赝形工艺、量子点电池工艺等)的开发应用,多结电池中出现了一系列新的现象,如荧光耦合和光调制效应会显著地影响多结电池的性能,也为新型电池设计、结构与工艺优化及其性能测试表征提出新的问题;同时,多结电池在空间宽能谱带电粒子辐射环境应用中,子电池内部及不同子电池之间辐射损伤不均匀性成为电池抗辐射优化的重要瓶颈。本文以新型多结III-V电池及其子电池和组成材料为研究对象,采用先进的测试手段、半导体器件物理模型和多结电池电路模型等仿真分析方法,系统研究了多结电池中的荧光耦合和光调制效应及辐射影响机制,深入研究了粒子辐射对电池非均匀损伤行为与机理,建立了非均匀辐射损伤的等效评价方法,实现了新型抗辐射多结电池结构的优化设计。研究结果表明,GaInP/GaAs/Ge三结电池内部各子电池之间存在着荧光耦合效应,主要体现在EQE(External Quantum Efficiency)测量时特定波段出现的“伪信号”现象。荧光耦合效应的本质是具有高内荧光效率子电池的辐射复合现象,其中多结电池测量时偏置光强度、二维不均匀性和结构参数都对荧光耦合效应产生影响。建立包含受控电流源的电路模型用于描述荧光耦合现象,其核心参数受控因子α决定于电池的辐射复合行为。研究发现,荧光耦合效应中的光致发光现象及相关光子循环过程,会引起发光子电池开路电压增加,下方子电池短路电流增大。经1×10~(15) cm~-22 1 MeV电子辐照后,GaInP/GaAs/Ge三结电池载流子复合率增加,荧光发射减弱,光子循环作用减弱,其Ge子电池受控电流源的受控因子α从0.51下降到0.04,EQE“伪信号”消失。基于多结电池荧光耦合现象,揭示出在设计多结电池的DBR结构时,需要合理选择中心反射波长,协调DBR上层电池增益和下层电池损失达到电流匹配的效果。多结电池光电转换行为会因入射光参数变化而改变,表现出显著的调制效应。以新型AlGaInP电池为对象,发现EQE会随着光强增加呈现出“缓增—快速增加—饱和”的变化规律,其本质是由于增加的过剩载流子对电池中陷阱的填充效应。利用50 keV质子辐照AlGaInP电池,材料中的缺陷浓度大幅增加,少子扩散长度下降,光调制效应减弱;在测量EQE时,偏置光导致空间电荷区的缩小,进一步弱化了光调制效应。针对三结电池,入射光谱变化会显著改变多结电池的各子电池间的电流匹配以及电源-负载关系,导致多结电池输出电性能的变化。当电池受到带电粒子辐照时,弱光条件对电池的辐照损伤和退化有放大效应。基于多结电池中的光调制作用提出了采用子电池间的功率匹配方案代替光谱匹配和晶格匹配方案开展多结电池的结构优化设计,同时提出了利用粒子辐射和偏置光消除电池荧光耦合效应从而获得标准量子效率的方法。低能质子在多结电池内造成非均匀的损伤,以G型、B型和M型三种类型的三结砷化镓太阳电池为对象,利用能量在50~170 keV范围的质子进行辐照试验,使得质子射程在电池的不同功能区域,研究辐照非均匀损伤造成多结电池电性能退化规律及其与均匀损伤条件下的差异;以此为基础,提出了非均匀损伤区的“缺陷带”假设,采用有限差分方法建立了太阳电池非均匀损伤数学模型,揭示出电池发射区损伤主要造成电流退化、而结区损伤则造成开路电压显著下降的规律,与实验结果相一致;仿真和试验结果同时揭示出非均匀损伤缺陷导致的载流子寿命和迁移率下降、特别是结区级联缺陷的复合行为,是导致电池并联电阻下降和电池二极管理想因子n值增加的主要机制。以多结电池光电耦合效应和非均匀损伤机理为基础,针对中轨道带电粒子宽能谱强辐射环境及其造成的三结电池非均匀损伤情况,建立了多结电池电性能退化评价和抗辐照结构优化设计方法。首先通过计算带电粒子在玻璃盖片中的输运行为获得在轨条件下玻璃盖片后的带电粒子能谱,然后确定在此粒子谱作用下多结电池材料内的缺陷分布函数;同时,基于辐照试验数据拟合获得多结电池中的少子寿命损伤参数k’σv和迁移率衰减参数Kμ’;最后,利用上述拟合结果计算单结电池和多结电池在非均匀损伤模式下的电性能退化曲线。基于上述研究,提出了一种多结III-V太阳电池在空间宽能谱粒子辐射条件下的结构优化方法,并针对不同服役周期下10000 km高度轨道卫星用刚性电池和20000km高度轨道卫星用柔性电池的抗辐射需求进行了多结电池的结构优化。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：

结数,电池,太阳电池,转换效率

失稍许电流的基础上提高开路电压，从而提高总的随后发展出 GaAs/Ge 叠层电池，随着结数的增大，热损失下降。在现阶段，提高多结电池的结数依然方法。图 1-1 为细致平衡极限条件下[17]，在 1000X，当结数超过 4 结时，可以实现超过 50%的理论效III-V 电池的实验室研究样品及其性能的报道[29, 30]。ional Renewable Energy Laboratory）发表的一个研究长和转移键合技术获得图 1-2 (a)所示结构的六结电池率谱可知各子电池的短路电流大致相等。在没有减谱下效率可以达到 24%[31]，在增加减反膜和聚光条有望突破 50%。可以有多种结构，包括正向匹配、正向失配、反向失三端电池[34, 35]、机械堆叠四端电池[36]、分光四端电池光镜[38]、背反射层[39]、布拉格反射镜[40]、量子点[39发展呈现出复杂性和多样性。但是无论何种结构，在电池都遵循相同的设计准则。

太阳电池,电池,带隙,多结

(a) (b)图 1-2 NREL 设计的高效六结太阳电池[31]Fig. 1-2 Six-junction solar cells from NREL[31](a)结构示意图；(b)各子电池的量子效率谱多结太阳电池一般性设计准则过增大光谱吸收范围和降低热损耗，多结化设计可以有效提高电效率。为了保证高转换效率，设计多结 III-V 电池需要考虑两个即电流匹配和晶格匹配。 1-3 为半导体的晶格常数-带隙图，可以反映出电流匹配和晶格系和矛盾。电流匹配是指各子电池的短路电流大致相等，这样可热损耗。最简单的模型为无限厚子电池模型，即各子电池能够充于其带隙的太阳光，对能量低于其带隙部分的太阳光完全透过。第 i 个子电池的短路电流为式（1-1），其中 i=1 代表最上方的子,( )diEgsc iEgI q （

【参考文献】