[論文レビュー] Effects of irradiation on Triple and Single Junction InGaP/GaAs/Ge solar cells

R. Campesato, Carsten Baur+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

solar cell performance optimization被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、NIELスケーリングに基づく不全損傷線量（DDD）法を用いて、InGaP/GaAs/Ge三接合および単接合太陽電池における放射線誘発劣化を評価した。ガリウムヒ素（GaAs）の不全閾値エネルギー（E_d = 21 eV）を最適化することで、電気的パラメータの単一の劣化曲線を達成し、DLTSによる確認でGaAsサブセル内の欠陥濃度がDDDに線形に比例することを確認した。これにより、宇宙ミッションにおける放射線耐性予測にSR-NIEL手法の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

The investigation of the degradation effects on triple-junction (TJ) solar cells, operating in space environment, is of primary importance in view of future space missions towards harsh radiation orbits (e.g. MEO with high particle irradiation intensity) and for the new spacecraft based on electrical propulsion. In the present work, we report the experimental results obtained from the irradiation test campaign carried out both on (InGaP/GaAs/Ge) TJ solar cells and on single junction (SJ) isotype sub-cells (i.e. InGaP top cells, GaAs middle cells and Ge bottom cells). In particular, the electrical performances degradation of the irradiated samples was analyzed by means of the Displacement Damage Dose (DDD) method based on the NIEL (Non Ionizing Energy Loss) scaling hypothesis, with DDD doses computed by the SR-NIEL approach. By plotting the remaining factors as a function of the DDD, a single degradation curve for each sample type and for each electrical parameter has been found. The collapse of the remaining factors on a single curve has been achieved by selecting suitable displacement threshold energies, $E_d$, for NIEL calculation. Moreover, DLTS (Deep level Transient Spectroscopy) technique was used to better understand the nature of the defects produced by irradiation. DLTS measurements reveal a good correlation between defects introduced by irradiation inside the GaAs sub-cell and the calculated Displacement Damage Doses.

研究の動機と目的

• プロトンおよび電子線照射下における三接合および単接合InGaP/GaAs/Ge太陽電池の放射線劣化を評価すること。
• 非イオン化エネルギー損失（NIEL）スケーリングに基づく不全損傷線量（DDD）法が、各電気的パラメータごとに劣化データを単一の曲線に統合できるかを検証すること。
• DLTSで実測した欠陥濃度と計算されたDDDを照合し、NIELに基づくDDDアプローチの妥当性を検証すること。
• 実デバイスダイオードを用いたDLTSを用いて、GaAsサブセルに生じる放射線誘発欠陥を同定および特徴付けること。

提案手法

• 異なるエネルギーおよびフラクションで、三接合太陽電池およびその単接合同型サブセル（InGaP、GaAs、Ge）を電子およびプロトン線照射試験に供した。
• 非イオン化エネルギー損失（NIEL）から不全損傷線量（DDD）を計算するために、SR-NIELフレームワークを用いた。
• 残存要因データ（例：V_oc、I_sc、P_max）を単一の劣化曲線に統合できるよう、不全閾値エネルギー（E_d）の値を最適化した。
• サブセルと同一のエpitaxial構造を有するGaAsおよびInGaPダイオードを用いて、DLTS測定を実施し、放射線誘発欠陥を分析した。
• DLTSから得たトラップ濃度とDDDを照合し、トラップ導入率（TIR）を導出し、NIELに基づくDDD予測の妥当性を検証した。
• TIRとNIELの間の変換係数を用いて、粒子種別（電子およびプロトン）における欠陥導入率の比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NIELスケーリングに基づくDDD法は、三接合および単接合太陽電池の劣化データを単一の曲線に統合できるか？
• RQ2 各太陽電池タイプおよび電気的パラメータに対して、劣化曲線の統合を最適化する不全閾値エネルギー（E_d）は何か？
• RQ3 GaAsサブセルに生じる放射線誘発欠陥の濃度は、計算されたDDD値とどのように相関するか？
• RQ4 GaAsサブセルにおけるE1およびE2トラップの欠陥導入率（TIR）は、電子およびプロトンのNIEL値に比例するか？
• RQ5 実験的DLTSおよび電気的データに基づき、SR-NIELアプローチは宇宙用太陽電池の放射線誘発劣化を正確に予測できるか？

主な発見

• GaAsサブセルに最適なE_d = 21 eVを採用することで、三接合および単接合太陽電池の各電気的パラメータ（V_oc、I_sc、P_max）について、単一の劣化曲線が達成された。
• DLTS測定により、GaAsに顕著な放射線誘発トラップが2つ特定された：価電子帯からのエネルギー差が0.21 eVのE1および0.45 eVのE2で、E2は全照射線量で検出可能であった。
• E_d = 21 eVを用いた電子線照射時、GaAsサブセルのE1トラップ濃度はDDDに線形に増加した。
• E2トラップ濃度は、電子およびプロトン両方の照射でDDDに線形に増加したが、粒子種別で異なる勾配を示し、異なる欠陥導入率を示した。
• E1およびE2欠陥のトラップ導入率（TIR）はNIELに比例し、変換係数はE1（電子）で3.0×10³ g/MeV/cm³、E2（電子）で1.2×10⁴ g/MeV/cm³、E2（プロトン）で9.3×10³ g/MeV/cm³であった。
• DLTSで測定した欠陥濃度とNIELベースのDDDとの強い相関から、SR-NIEL手法が宇宙用太陽電池の放射線劣化予測に有効であることが確認された。