高效三结GaAs太阳电池辐照损伤效应研究及仿真分析

发布时间：2017-08-31 10:02

  本文关键词：高效三结GaAs太阳电池辐照损伤效应研究及仿真分析

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【摘要】：三结砷化镓太阳电池工艺和结构优化使其效率可达30%以上,将成为空间太阳电池服役的主要产品。本文将利用空间环境地面模拟装置以及相关太阳电池分析技术,对比研究在空间电子和质子辐照条件下两类高效电池的电性能退化规律,通过光谱响应,光致发光光谱和时间分辨荧光光谱分析了其损伤机理。以此实验为基础,利用PC1D软件模拟三节砷化镓太阳电池电性能行为,为太阳电池结构设计及工艺优化提供理论基础。研究结果表明,1Me V电子辐照对三结电池造成均匀辐照损伤,其中中结Ga As子电池的电性能退化更为显著,成为三结电池输出性能的控制子电池。质子辐照较高能电子辐照损伤更为显著,且由于低能质子射程不同,70ke V质子辐照只引起顶电池的位移损伤和性能退化,而150ke V质子辐照则同时导致顶电池和中电池的损伤,使三结电池的性能退化更显著。论文研究中建立了11BP734和12GPB型三结电池电性能随辐照注量的退化方程。通过光谱响应测量和仿真分析表明,在所研究的两类电池中,12GPB电池由于其在结构上顶电池和中电池较薄,且在顶电池和中电池的底部设计制备了背反射层,其具有更高的效率和抗辐射性能。高能电子和质子辐照在其射程范围内产生位移损伤,降低了电池的量子效率和荧光发射率。低能质子辐照时位移损伤效应更强烈,使得其量子效率和荧光发射率下降更显著。时间分辨及静态荧光光谱分析表明,粒子辐照位移损伤导致少数载流子寿命下降。利用时间分辨及静态荧光光谱计算了11BP734和12GPB型两类电池的少数载流子寿命衰减系数,发现12GPB电池的少子寿命衰减较小,表明12GPB电池工艺和结构设计使其具有较好的抗辐射损伤性能。基于上述实验结果并利用PC1D软件,通过调整少子寿命建立了电池在原始状态、均匀损伤状态和非均匀损伤状态的太阳电池模型。结果表明,少子寿命的降低会引起能带结构和电池内部电流的变化,进而引起宏观电性能的改变。对于三结电池,利用电路仿真模拟将各子结连接起来,得到在不同少数载流子寿命条件下三结电池的I-V曲线。因此通过PC1D软件和电路分析,将空间辐照环境损伤效应、少数载流子寿命和三结电池电性能的退化联系起来,预测三结乃至多结太阳电池在轨服役过程中的电性能退化。
【关键词】：高效三结太阳电池 辐照损伤 器件模拟 少数载流子寿命 荧光效率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 空间用太阳电池的发展概况11-14
• 1.2.1 太阳电池的工作原理及主要参数11-12
• 1.2.2 太阳电池的发展历程12-13
• 1.2.3 砷化镓电池的发展13-14
• 1.3 空间环境及其对太阳电池的影响14-18
• 1.3.1 太阳电池空间服役环境15-16
• 1.3.2 带电粒子与物质的相互作用16-18
• 1.4 太阳电池空间辐照损伤地面等效评价技术18-22
• 1.4.1 等效注量法18-20
• 1.4.2 等效位移损伤剂量法20-21
• 1.4.3 从头算起法21-22
• 1.5 太阳电池仿真模拟技术22-23
• 1.5.1 太阳电池的等效电路22
• 1.5.2 太阳电池器件模拟22-23
• 1.6 本文的主要研究内容23-25
• 第2章 试验材料与试验方法25-30
• 2.1 试验材料25-26
• 2.2 辐照试验26-27
• 2.2.1 高能电子辐照实验26
• 2.2.2 低能质子辐照实验26-27
• 2.3 电池性能测试27-28
• 2.3.1 电性能测试27
• 2.3.2 量子效率测试27
• 2.3.3 光致发光测试27-28
• 2.3.4 时间分辨荧光光谱测试28
• 2.4 软件模拟与仿真28-30
• 第3章 太阳电池 1Me V电子辐照损伤行为30-41
• 3.1 1Me V电子辐照下太阳电池电性能退化行为30-32
• 3.2 1Me V电子辐照下太阳电池量子效率和荧光效率的退化32-35
• 3.2.1 太阳电池量子效率退化32-34
• 3.2.2 太阳电池荧光效率退化34-35
• 3.31Me V电子辐照下太阳电池电性能退化机理35-39
• 3.3.1 时间分辨荧光光谱测试结果分析35-36
• 3.3.2 点缺陷对载流子运动的影响36-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 太阳电池低能质子辐照损伤行为41-53
• 4.1 Monte-Carlo程序模拟分析41-42
• 4.2 70ke V质子辐照损伤分析42-46
• 4.2.1 太阳电池电性能退化规律42-43
• 4.2.2 太阳电池量子效率退化分析43-45
• 4.2.3 太阳电池荧光效率退化分析45-46
• 4.3 150ke V质子辐照损伤分析46-51
• 4.3.1 太阳电池电性能退化规律46-48
• 4.3.2 太阳电池量子效率退化分析48-50
• 4.3.3 太阳电池荧光效率退化分析50-51
• 4.4 本章小结51-53
• 第5章 太阳电池辐照损伤的仿真分析53-69
• 5.1 引言53
• 5.2 软件模拟的理论基础53-55
• 5.2.1 基本电学方程及其边界条件53-54
• 5.2.2 材料有关参数54-55
• 5.3 PC1D模拟初始态太阳电池55-58
• 5.3.1 太阳电池模型的简化55-56
• 5.3.2 初始态顶电池和中电池行为的PC1D模拟56-58
• 5.4 单结子电池辐照损伤模拟58-65
• 5.4.1 中电池均匀损伤模拟58-61
• 5.4.2 中电池非均匀损伤模拟61-64
• 5.4.3 顶电池损伤模拟64-65
• 5.5 三结电池辐照损伤模拟及等效评价65-68
• 5.5.1 三结电池电路模型65-66
• 5.5.2 三结电池辐照损伤模拟66-67
• 5.5.3 基于Kτ的多结太阳电池等效评价流程67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 段晓菲,王金亮,毛景,裴坚;有机太阳能电池材料的研究进展[J];大学化学;2005年03期

2 吴宜勇;岳龙;胡建民;蓝慕杰;肖景东;杨德庄;何世禹;张忠卫;王训春;钱勇;陈鸣波;;位移损伤剂量法评估空间GaAs/Ge太阳电池辐照损伤过程[J];物理学报;2011年09期

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本文编号：764924