质子辐照下高效太阳电池输出特性及结构的优化研究
发布时间：2021-10-09 01:08
利用TCAD半导体器件仿真软件,详细分析了低能（1.8 keV）质子辐照剂量对低轨道卫星用高效插指背结背接触（IBC）单晶硅太阳电池转换效率的影响。通过转换效率及其退化特点的对比,得到质子辐照剂量与复合中心密度、陷阱密度之间的对应关系。在不同的质子辐照剂量情况下,深入分析了前表面场（FSF）结构和前表面浮空发射区结构（FFE）对太阳电池短路电流密度、开路电压及转换效率的影响,为质子辐照条件下太阳电池前表面结构提供了设计依据。仿真结果表明:当质子辐照剂量小于1×109 cm-2时,随着质子辐照剂量的增大,太阳电池转换效率几乎不变。当质子辐照剂量一定时,存在最优的FSF和FFE的掺杂浓度,使得太阳电池转换效率最高。在质子辐照剂量为0 cm-2和1×1010 cm-2时,FFE结构对应的峰值转换效率略低于FSF结构的情况。在质子辐照剂量为1×1011 cm-2时,FFE结构对IBC太阳电池转换效率的改善效果明显优于FSF结构的情况。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(10)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
质子辐照剂量、复合中心密度、陷阱密度对太阳电池转换效率的影响
图1为IBC太阳电池的单元结构剖面图,图1(a)为采用前表面场情况,图1(b)为采用浮空发射区情况。相比于地面应用的高效IBC太阳电池,其衬底电阻率和衬底厚度的选择不同。由于在质子辐照环境中,随着质子辐照剂量的增大,位移损伤导致电池内陷阱和复合中心密度增大[6-7]。因此,为降低衬底中光生载流子在输运过程中的复合损耗,衬底厚度在满足长波光吸收及卫星发射时机械应力要求的基础上,应尽可能的减薄。由于太阳电池阵表面极易俘获大量低能带电粒子,使太阳电池阵表面产生高达几千伏的静电压,如果静电场放电,则可能造成太阳电池击穿,或干扰星上的遥测系统[8]。因此,为提高太阳电池的可靠性,需要适当提高电池衬底电阻率。太阳电池结构的具体仿真参数如表1所示。表1 太阳电池结构的仿真参数[6,9-10]Table 1 Simulation parameters of solar cell structure[6,9-10] 结构参数名称 值 结构参数名称 值 衬底厚度 100 μm 单元电池宽度 1 000 μm 衬底电阻率 4 Ω·cm 发射区和背表面场的表面浓度 5×1019/cm3,杂质高斯分布 衬底少子寿命 1 ms 发射区和背表面场的扩散深度 1 μm 衬底晶向 <100> 背表面场、背表面场-发射区间隔及发射区宽度的比例 2∶1∶7 减反射膜 Si3 N4,2.05/79 nm 前表面结构掺杂浓度 变量,变化范围为1×1017～5×1019/cm3,杂质均匀分布 减反射膜-硅界面复合速率 100 cm/s 前表面结构厚度 0.2 μm
表2 无前表面结构情况下的太阳电池电学性能Table 2 Electrical performance of solar cells without front surface structure Proton radiation dose/cm-2 JSC/(mA·cm-2) VOC/V Eff/% 0 39.325 0.6211 19.49 1×1010 37.562 0.6132 18.30 1×1011 24.138 0.5644 10.74由图4(a)开路电压曲线(VOC)可见:对于FSF结构,不同质子辐照剂量下太阳电池VOC均呈现先增大后减小的变化特点。对于FFE结构,不同质子辐照条件下,峰值VOC对应的FFE结构掺杂浓度略低于FSF情况。在不同的辐照条件下,FSF结构和FFE结构可在很大程度改善IBC太阳电池VOC,且掺杂浓度经优化的FSF结构在改善太阳电池VOC方面的效果更好(见表2)。图4(b)为FFE结构与FSF结构对应的VOC差值(△VOC),随着质子辐照剂量的增大,△VOC为负值所对应的前表面结构的掺杂浓度范围增大,表明质子辐照剂量越高,FSF结构在改善电池VOC方面的优势越明显。
本文编号：3425339
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(10)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
质子辐照剂量、复合中心密度、陷阱密度对太阳电池转换效率的影响
图1为IBC太阳电池的单元结构剖面图,图1(a)为采用前表面场情况,图1(b)为采用浮空发射区情况。相比于地面应用的高效IBC太阳电池,其衬底电阻率和衬底厚度的选择不同。由于在质子辐照环境中,随着质子辐照剂量的增大,位移损伤导致电池内陷阱和复合中心密度增大[6-7]。因此,为降低衬底中光生载流子在输运过程中的复合损耗,衬底厚度在满足长波光吸收及卫星发射时机械应力要求的基础上,应尽可能的减薄。由于太阳电池阵表面极易俘获大量低能带电粒子,使太阳电池阵表面产生高达几千伏的静电压,如果静电场放电,则可能造成太阳电池击穿,或干扰星上的遥测系统[8]。因此,为提高太阳电池的可靠性,需要适当提高电池衬底电阻率。太阳电池结构的具体仿真参数如表1所示。表1 太阳电池结构的仿真参数[6,9-10]Table 1 Simulation parameters of solar cell structure[6,9-10] 结构参数名称 值 结构参数名称 值 衬底厚度 100 μm 单元电池宽度 1 000 μm 衬底电阻率 4 Ω·cm 发射区和背表面场的表面浓度 5×1019/cm3,杂质高斯分布 衬底少子寿命 1 ms 发射区和背表面场的扩散深度 1 μm 衬底晶向 <100> 背表面场、背表面场-发射区间隔及发射区宽度的比例 2∶1∶7 减反射膜 Si3 N4,2.05/79 nm 前表面结构掺杂浓度 变量,变化范围为1×1017～5×1019/cm3,杂质均匀分布 减反射膜-硅界面复合速率 100 cm/s 前表面结构厚度 0.2 μm
表2 无前表面结构情况下的太阳电池电学性能Table 2 Electrical performance of solar cells without front surface structure Proton radiation dose/cm-2 JSC/(mA·cm-2) VOC/V Eff/% 0 39.325 0.6211 19.49 1×1010 37.562 0.6132 18.30 1×1011 24.138 0.5644 10.74由图4(a)开路电压曲线(VOC)可见:对于FSF结构,不同质子辐照剂量下太阳电池VOC均呈现先增大后减小的变化特点。对于FFE结构,不同质子辐照条件下,峰值VOC对应的FFE结构掺杂浓度略低于FSF情况。在不同的辐照条件下,FSF结构和FFE结构可在很大程度改善IBC太阳电池VOC,且掺杂浓度经优化的FSF结构在改善太阳电池VOC方面的效果更好(见表2)。图4(b)为FFE结构与FSF结构对应的VOC差值(△VOC),随着质子辐照剂量的增大,△VOC为负值所对应的前表面结构的掺杂浓度范围增大,表明质子辐照剂量越高,FSF结构在改善电池VOC方面的优势越明显。
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