高能电子辐照对太阳能电池的影响实例分析

处于空间等离子体环境中的航天器受到各种粒子的辐射，不同的轨道上粒子种类不同，在地球低轨和中轨中，电子是带电粒子的最主要成分，由于电子质量远小于其他带电粒子的质量，所以当电子温度与其他离子温度相当时，电子速度要远大于离子速度，因此，空间等离子体中电子具有较高的能量，地面通常采用1 MeV 的电子来等效空间带电粒子的辐射，以模拟空间辐射环境对太阳能电池的辐照损伤。

1.高能电子辐照非晶硅太阳能电池

李柳青等人［32］对高能电子辐照非晶硅产生的影响进行了研究，辐照试验采用的太阳能电池的结构为Glass/SnO2/p a-Si1-xCx：B：H/i a-Si：H/n Si：P：H/Al，电子辐照能量为1 MeV，剂量分别1.4×1015 e/cm2、4.2×1015 e/cm2、8.4×1015 e/cm2。辐照之后，分别在光强为AM1.5（100 mW/cm2）和暗室两种条件下，利用太阳能电池J-V 测试仪对太阳能电池进行了电学特性测试。

图3-17 给出了太阳能电池经过上述剂量辐照完，样品常温存放10 d，再在有光照情况下的J-V 特性测试结果，从图中观察到随着辐照剂量的增大，太阳能电池性能显著变差，即出现显著的电子辐射效应，曲线①、②、③不重合，即未见饱和，说明随着辐照剂量的增大，辐照效应可能会加剧。

图3-1　7 太阳能电池1 MeV 电子辐照前、辐照完存放10 d 后的光照J-V 曲线［32］

图3-18 所示为保持样品蔽光，采用伏安法测量Jd-V 特性，样品经1 MeV 8.4×1015 e/cm2 电子辐照完，再分别常温存放20 d 和95 d 之后测试的Jd-V 特性曲线，从图中明显看出，1 MeV 8.4×1015 e/cm2 电子辐照完20 d 后，截止电流显著增大，而且严重偏离线性关系，出现显著的电子辐照效应。

图3-1　8 太阳能电池1 MeV 8.4×1015 e/cm2 电子辐照前后测试的Jd-V 曲线［32］

综上所述，采用能量为1 MeV 通量达到1016 e/cm2 量级的电子束辐照传统非晶硅太阳能电池，可使电池的电学特性发生显著变化，即存在明显的电子辐照效应。

2.GaAs/Ge 太阳能电池抗电子辐射研究

国外对于GaAs 太阳能电池的辐照损伤研究起步较早，早在20 世纪80 年代，美国的R.Y.Loo 等人便研究了GaAs 太阳能电池的低能、高能质子辐照与高能电子辐照损伤效应［33］，法国的J.C.Bourgoin 等人［34］对GaAs 太阳能电池在辐照理论方面进行了大量研究，对于短路电流、开路电压受辐射损伤的因素研究较深，并建立了短路电流、开路电压受粒子辐照后性能参数退化的理论公式。美国加州工学院的B.E.Anspaugh 通过总结前人研究成果及自身对GaAs太阳能电池的辐照研究，将成果于20 世纪90 年代中期发表，著成科技图书《GaAs 太阳能电池辐照手册》［35］，为后人继续进行研究提供参考。

国内研究高能电子辐射对GaAs 太阳能电池的损伤研究较多。中科院半导体研究所的向贤碧等人对AlGaAs/GaAs 太阳能电池开展了电子辐照效应研究［36］，辐照试验采用3 MeV、注量率为8.68×1011 e/（cm2·s）分别辐照到1×1014～5×1015 e/cm2，被辐照样品具有不同的结深度，同时部分样品采用硅硼酸盐玻璃进行了防护，试验结果如图3-19 所示，随着辐照剂量的增加，电池的开路电压逐渐降低，深结电池的下降幅度更大；同时电池的短路电流也明显下降，深结电池下降非常明显，在辐照剂量达到5×1015 e/cm2 时，电池的短路电流只有原来的5%；对于有玻璃盖片防护电池的开路电压和短路电流下降也非常明显，说明玻璃防护盖片对于电子辐射不能起到有效的防护作用。

图3-1　9 不同结深AlGaAs/GaAs 太阳能电池开路电压VOC、短路电流ISC 和填充因子（F.F.）随辐照剂量的变化关系［36］

中电科技集团第十八研究所的张新辉等人采用1 MeV 电子对GaAs/Ge 太阳能电池进行了辐射损伤研究［37］。电池辐射试验是在地那米GJ-2 电子加速器上进行的，采用1×1011 e/（cm2·s）的瞬时剂量，分别辐照到1×1013 e/cm2、1×1014 e/cm2、6×1014 e/cm2、1×1015 e/cm2、1.69×1015 e/cm2 的总剂量。在ORIEN 太阳模拟器上将锗砷化镓太阳能电池在辐射前、后进行光电性能测试，测试时环境温度为（25±2）℃。表3-2 所示为锗砷化镓太阳能电池开路电压V、短路电流I 和效率η 对辐射总量的衰减表，由表3-2 绘制了图3-20 所示的曲线图。从图中看到，当辐照剂量大于1×1014 e/cm2 之后，随着辐照剂量的增加，器件的开路电压、短路电流和效率出现明显下降。

表3-2　GaAs/Ge 太阳能电池性能对辐射总剂量的衰减率表

图3-2　0 不同电子辐射量辐射后电池性能［37］

半导体受高能电子辐照时，高能电子会将半导体中的一些原子电离或者使晶格原子离开原来的晶格位置，而形成一个空位和一个间隙原子，这些空位和间隙原子又很快与半导体中的其他杂质（如氧等）形成更加复杂的晶格缺陷；或Ga 原子的正常位置被As 原子占据，As 原子的正常位置被Ga 原子占据，形成反晶格缺陷。这些缺陷在禁带中引进了能够起受主、施主或复合中心作用的各种能级，有效掺杂度和折射率也会因此而发生变化。

可见，随着辐射通量的增加，光电池的输出功率降低，从而光电转换效率也降低。辐射损伤对材料最重要的影响是减少了少子寿命，辐照对PN 结砷化镓太阳能电池来说，主要是基区寿命下降。锗砷化镓太阳能电池经高能电子的辐射，电池性能的衰减就是输出功率的衰减，实际就是电池开路电压、短路电流、最佳功率下的电压和最佳功率下的电流的下降。(www.xing528.com)

3.高能电子辐照铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池

鉴于铜铟镓硒太阳能电池高效的光电转换效率和优良的抗辐照性能，国外相关从业研究人员已将其列为最有潜质的下一代航天器用太阳能电池材料。因此，针对CIGS 太阳能电池在空间带电粒子辐照环境下的性能演化地面模拟试验早已大量开展。因为国内CIGS 电池制备研究起步较晚，相应的辐照损伤研究匮乏。

哈尔滨工业大学常熠等人［38］利用空间带电粒子辐照环境地面模拟设备对铜铟镓硒太阳能电池分别进行了50 keV 和1 MeV 电子辐照试验，电子的辐照注量分别达到1×1014 e/cm2、1×1015 e/cm2、1×1016 e/cm2。辐照试验所用CIGS 薄膜太阳能电池其外观形貌如图3-21 所示。电池外观尺寸为70 mm×50 mm×0.5 mm，表面呈深绿色，均匀分布银白色导电栅线，正负导电电极均已引出，且导电电极与电池边缘的接触面用聚酰亚胺薄膜隔开，防止电池短路。图3-22 所示为CIGS 太阳能电池原始伏安特性曲线，测试温度为25 ℃，光照条件为AM1.5，测得电池初始开路电压VOC 为0.664 2 V，短路电流ISC 为1.162 A，最大功率Pm 为0.460 3 W，填充因子F.F.为59.62%。

图3-2　1 试验所用CIGS 太阳能电池外观［38］

图3-2　2 试验所用CIGS 太阳能电池原始伏安特性曲线［38］

50 keV 电子辐照在哈尔滨工业大学空间材料实验室完成，所用设备为质子和电子综合辐照环境模拟器，该设备可满足真空条件下能量为30～170 keV 的质子和电子辐照环境模拟；1 MeV 电子辐照在黑龙江省科学院技术物理研究所的DD-1.2 型高频高压静电加速器上进行，此设备的电子辐照能量范围为0.8～1.2 MeV，最大束流强度为1 mA，试验条件为常温常压。辐照完成后，CIGS太阳能电池在室温下遮光保存。

1）50 keV 电子辐照对CIGS 太阳能电池的影响

对CIGS 太阳能电池进行能量为50 keV，注量分别为1×1014 e/cm2、1×1015 e/cm2、1×1016 e/cm2 的电子辐照试验。辐照后，对电池进行了I-V 性能测试，所得的CIGS 太阳能电池伏安特性曲线随着辐照注量的变化曲线如图3-23所示。由图可知，CIGS 电池随着50 keV 电子辐照注量的递增，VOC 和ISC 均呈现递减趋势，但幅度很小，具体如表3-3 所示。

图3-2　3 50 keV 不同注量电子辐照下CIGS 太阳能电池I-V 曲线［38］

表3-3　50 keV 电子不同注量辐照下CIGS 太阳能电池参数衰减

综上所述，CIGS 太阳能电池在50 keV 电子的辐照下，各项电性能参数随注量增加而略有降低，在1×1016 e/cm2 的辐照注量内，电池电性能的衰减程度远不足以影响其正常工作。

2）1 MeV 电子辐照对CIGS 太阳能电池的影响

对CIGS 太阳能电池进行能量为1 MeV，注量分别为1×1014 e/cm2、1×1015 e/cm2、1×1016 e/cm2 的电子辐照试验。辐照后，立即对电池进行了电学性能测试。测试结果如图3-24 所示，CIGS 太阳能电池在1 MeV 电子的辐照下，电学性能随注量增加而略有降低，在注量1×1016 e/cm2 下，上述开路电压、短路电流、最大功率和填充因子四个参数对应的衰降后的比例分别为98.0%、97.6%、94.6%、98.9%，最大功率衰降速度大于短路电流和开路电压，填充因子衰降最慢，具体如表3-4 所示。

图3-2　4 1 MeV 不同注量质子辐照下CIGS 太阳能电池I-V 曲线［38］

表3-4　1 MeV 电子不同注量辐照下CIGS 太阳能电池电性能参数衰减比例

从高能电子对非晶体硅、GaAs/Ge、CIGS 三种航天用太阳能电池的辐照效果来看，其影响太阳能电池的主要机制是大剂量的电离累积效应，导致太阳能电池开路电压V、短路电流I、效率η 和最大功率出现不同程度的性能衰减，对太阳能电池半导体材料起作用的高能电子在1 MeV 左右，当电子辐照总剂量在1×1016 e/cm2 量级时，电子对其上述性能的影响在20%左右，其中电子对非晶硅太阳能电池的影响最为显著，对于先进的GaAs/Ge 和CIGS 太阳能电池的影响有限，因而对于先进的GaAs/Ge 和CIGS 太阳能电池造成显著影响需要更大的电子辐照剂量。