[논문 리뷰] Effects of irradiation on Triple and Single Junction InGaP/GaAs/Ge solar cells

R. Campesato, Carsten Baur외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

solar cell performance optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 및 단일접합 태양전지의 방사선 유도 열화를 NIEL 스케일링 기반의 이완손실량(DDD) 방법을 사용하여 평가한다. GaAs에 대해 이완 임계 에너지(E_d = 21 eV)를 최적화함으로써 전기적 매개변수에 대한 단일 열화 곡선을 도출하였으며, DLTS를 통한 검증을 통해 GaAs 접합에서의 결함 농도가 DDD와 선형적으로 상관됨을 확인함으로써 SR-NIEL 접근법이 우주 임무의 방사선 내성 예측에 유효함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 프로톤 및 전자 조사 조건에서 InGaP/GaAs/Ge 삼중접합 및 단일접합 태양전지의 방사선 열화를 평가하기.
• NIEL 스케일링 기반의 이완손실량(DDD) 방법이 각 전기적 매개변수에 대해 열화 데이터를 단일 곡선으로 압축할 수 있는지 확인하기.
• 실험적으로 측정한 DLTS를 통한 결함 농도를 계산된 DDD와 연계하여 NIEL 기반 DDD 접근법의 타당성을 검증하기.
• 실제 장치 다이오드를 이용한 DLTS를 통해 GaAs 접합에서 발생하는 방사선 유도 결함을 식별하고 특성화하기.

제안 방법

• 다양한 에너지와 조사량에서 삼중접합 태양전지 및 그의 단일접합 이소타입 접합(Indium gallium phosphide, GaAs, Ge)에 대해 전자 및 프로톤 조사 시험을 실시함.
• 비이온화 에너지 손실(NIEL)에서 유도된 이완손실량(DDD)을 계산하기 위해 SR-NIEL 프레임워크를 적용함.
• 남은 요인 데이터(예: V_oc, I_sc, P_max)를 단일 열화 곡선으로 압축하기 위해 이완 임계 에너지(E_d) 값을 최적화함.
• 접합의 에pitaxial 구조와 동일한 조건으로 제작된 GaAs 및 InGaP 다이오드에서 DLTS 측정을 수행하여 방사선 유도 결함 분석을 수행함.
• DLTS에서 유도된 트랩 농도를 DDD와 연계하여 트랩 도입률(TIR)을 유도하고 NIEL 기반 DDD 예측의 타당성을 검증함.
• TIR과 NIEL 간의 변환 계수를 사용하여 전자 및 프로톤의 입자 유형 간 결함 도입률을 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NIEL 스케일링 기반의 DDD 방법이 삼중접합 및 단일접합 태양전지의 열화 데이터를 단일 곡선으로 압축할 수 있는가?
• RQ2 각 태양전지 유형 및 전기적 매개변수에 최적화된 이완 임계 에너지(E_d)는 무엇인가?
• RQ3 GaAs 접합에서의 방사선 유도 결함은 계산된 DDD 값과 어떻게 상관되는가?
• RQ4 GaAs 접합에서 E1 및 E2 트랩의 결함 도입률(TIR)은 전자 및 프로톤의 NIEL 값에 비례하는가?
• RQ5 실험적 DLTS 및 전기적 데이터를 기반으로 SR-NIEL 접근법이 우주 태양전지의 방사선 유도 열화를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• GaAs 접합에 대해 E_d = 21 eV를 최적화함으로써 삼중접합 및 단일접합 태양전지의 각 전기적 매개변수(V_oc, I_sc, P_max)에 대해 단일 열화 곡선을 도출함.
• DLTS 측정 결과 GaAs에서 두 가지 주요 방사선 유도 트랩이 확인됨: 발화대에서 0.21 eV 상승한 E1 및 0.45 eV 상승한 E2로, E2는 모든 조사 조건에서 검출됨.
• 전자 조사 조건에서 E_d = 21 eV를 사용할 경우 GaAs 접합의 E1 트랩 농도는 DDD와 선형적으로 증가함.
• 전자 및 프로톤 조사 조건 모두에서 E2 트랩 농도는 DDD와 선형적으로 증가하며, 각 입자 유형에 따라 기울기가 다름을 확인하여 서로 다른 결함 도입률을 시사함.
• E1 및 E2 결함의 트랩 도입률(TIR)은 NIEL에 비례하며, 변환 계수는 E1(전자): 3.0×10³ g/MeV/cm³, E2(전자): 1.2×10⁴ g/MeV/cm³, E2(프로톤): 9.3×10³ g/MeV/cm³로 도출됨.
• DLTS로 측정한 결함 농도와 NIEL 기반 DDD 간의 강한 상관관계는 SR-NIEL 접근법이 우주 태양전지의 방사선 열화 예측에 유효함을 확인함.