[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究基于NIEL标度的位移损伤剂量（DDD）方法，评估了InGaP/GaAs/Ge三结和单结太阳能电池在辐射作用下的退化情况。通过优化GaAs的位移阈值能量（E_d = 21 eV），作者实现了各电学参数的单一退化曲线，并通过DLTS证实GaAs子电池中的缺陷浓度与DDD呈线性关系，验证了SR-NIEL方法在空间任务辐射抗毁性预测中的有效性。

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.

研究动机与目标

• 评估质子和电子辐照下三结和单结InGaP/GaAs/Ge太阳能电池的辐射退化行为。
• 确定基于NIEL标度的位移损伤剂量（DDD）方法是否能将退化数据压缩为每个电学参数的单一曲线。
• 将DLTS实验测得的缺陷浓度与计算得到的DDD进行关联，以验证基于NIEL的DDD方法。
• 利用DLTS对实际器件二极管进行分析，识别并表征GaAs子电池中的辐射诱导缺陷。

提出的方法

• 在不同能量和注量下，对三结太阳能电池及其单结同型子电池（InGaP、GaAs、Ge）进行了电子和质子辐照测试。
• 采用SR-NIEL框架，基于非电离能量损失（NIEL）计算位移损伤剂量（DDD）。
• 优化位移阈值能量（E_d）值，以将剩余因子数据（如V_oc、I_sc、P_max）压缩到单一退化曲线上。
• 对与子电池外延结构相同的GaAs和InGaP二极管进行DLTS测量，以分析辐射诱导缺陷。
• 将DLTS测得的陷阱浓度与DDD关联，推导陷阱引入率（TIR），以验证基于NIEL的DDD预测。
• 利用TIR与NIEL之间的转换系数，比较电子和质子两种粒子类型的缺陷引入速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于NIEL标度的DDD方法能否将三结和单结太阳能电池的退化数据压缩为单一曲线？
• RQ2 何种位移阈值能量（E_d）能最优地压缩每种太阳能电池类型及每个电学参数的退化曲线？
• RQ3 GaAs子电池中的辐射诱导缺陷如何与计算得到的DDD值相关联？
• RQ4 GaAs子电池中E1和E2陷阱的缺陷引入率（TIR）是否与电子和质子的NIEL值成正比？
• RQ5 基于实验测得的DLTS和电学数据，SR-NIEL方法是否能准确预测空间太阳能电池的辐射诱导退化？

主要发现

• 通过为GaAs子电池选择最优E_d = 21 eV，成功为三结和单结太阳能电池的每个电学参数（V_oc、I_sc、P_max）建立了单一退化曲线。
• DLTS测量揭示了GaAs中两种主要的辐射诱导陷阱：位于价带以上0.21 eV处的E1和0.45 eV处的E2，其中E2在所有辐照剂量下均可检测到。
• 在电子辐照下，使用E_d = 21 eV时，GaAs子电池中E1陷阱的浓度随DDD线性增加。
• E2陷阱的浓度在电子和质子辐照下均随DDD线性增加，但不同粒子类型具有不同的斜率，表明缺陷引入速率存在差异。
• E1和E2缺陷的陷阱引入率（TIR）与NIEL成正比，转换系数分别为3.0×10³ g/MeV/cm³（E1，电子）、1.2×10⁴ g/MeV/cm³（E2，电子）和9.3×10³ g/MeV/cm³（E2，质子）。
• DLTS测得的缺陷浓度与基于NIEL的DDD之间存在强相关性，证实了SR-NIEL方法在预测空间太阳能电池辐射退化方面的有效性。