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準(zhǔn)備好進(jìn)入太空! 三結(jié)太陽能電池在AM0光譜下的輻射抗性評估

來源:光焱科技股份有限公司   2023年12月15日 13:57  

【要點(diǎn)摘要】

本篇研究由 云南師范大學(xué) A. Aierken 等人發(fā)表。

  • IMM三接面電池顯示出與標(biāo)準(zhǔn)LM電池相當(dāng)?shù)妮椛溆捕?/p>

  • IMM電池在輻照后保持更好的電流匹配,這要?dú)w功于輻射抗性的InGaAs底部子電池

  • 具有高效率和輻射耐受性的IMM電池對于輕量、靈活的高功率太空太陽能陣列具有潛力

【背景】

格點(diǎn)匹配(LM)GaInP/GaAs/Ge三接面太陽能電池因其高達(dá)30%的轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)秀的輻射抗性而被廣泛應(yīng)用于太空能源系統(tǒng)。然而,子電池間的電流不匹配限制了進(jìn)一步的效率提高。使用GaInP/GaAs/InGaAs的倒置變形(IMM)三接面電池通過調(diào)節(jié)InGaAs底部電池的能隙,同時(shí)通過倒置生長過程減少缺陷,實(shí)現(xiàn)了更高的效率。在1太陽下,IMM電池的效率超過30%,在集中時(shí)可達(dá)到40%以上。此外,倒置基板去除的IMM結(jié)構(gòu)使得太陽能電池具有靈活和輕量的特性。盡管已展示出很高的初始效率,IMM三接面電池在廣泛應(yīng)用于太空之前,其輻射降解特性需要與傳統(tǒng)的LM設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的理解。本研究旨在分析1MeV電子和10MeV質(zhì)子輻照對IMM三接面太陽能電池的影響。

【結(jié)果】

電性能降級

  • 在3.16x10^10 MeV/g的劑量后,IMM電池的剩余Pmax分別為0.86(e-)和0.73(p+),而LM電池則分別為0.85(e-)和0.75(p+)

  • 對于IMM電池,Isc的降解較小,而Voc的降解相似

  • 暗I-V曲線顯示質(zhì)子輻照時(shí)反向飽和電流的增加較大

  • 與先前報(bào)告的數(shù)值相比,兩種電池均表現(xiàn)出良好的輻射硬度

光譜性能和子電池分析

  • 對于IMM電池,EQE主要在GaAs和InGaAs子電池中發(fā)生降解,而對于LM電池主要在GaAs子電池中發(fā)生

  • 在輻照前,GaInP限制了IMM電池的電流,但在輻照后,InGaAs成為了限制因素

  • 對于LM電池,在輻照前后,GaAs始終是限制性子電池

  • 這表明IMM電池在輻照損傷后能夠更好地保持電流匹配

損傷系數(shù)和建模

  • 獲得的相對電子與質(zhì)子損傷系數(shù)分別為IMM電池的3.11和LM電池的2.78

  • 計(jì)算了擴(kuò)散長度損傷系數(shù),顯示了InGaAs子電池的降解較大,符合預(yù)期

  • 整體降解行為與基于位移損傷劑量建模的預(yù)測相符

【方法】

  • 制作了IMM和LM GaInP/GaAs/InGaAs和GaInP/InGaAs/Ge三接面太陽能電池。

  • 對電池進(jìn)行了1MeV電子和10MeV質(zhì)子的輻照,通量從1x10^14到1x10^15 e/cm2和等效位移損傷劑量。

  • 測量了輻照前后的電壓-電流(I-V)曲線,以確定Isc、Voc和Pmax等電性參數(shù)的變化。

  • 測量外量子效率(EQE)以分析個(gè)別子電池的光譜響應(yīng)和電流密度(Jsc)變化。

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【結(jié)論】

本研究表明,IMM GaInP/GaAs/InGaAs三接觸太陽能電池展示出出色的輻射抗性,與傳統(tǒng)的LM GaInP/InGaAs/Ge電池相當(dāng)。在高通量電子和質(zhì)子輻照后,IMM電池顯示出超過73%的最大功率保留因子。詳細(xì)分析表明,盡管初始降解較高,變形的InGaAs底部電池提供了在末期條件下維持電流匹配所需的*韌性。所獲得的相對損傷系數(shù)使得能夠?qū)Ω鞣N粒子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)評估。擁有非常高的初始效率和有前景的輻射耐久性,IMM三接觸電池對于靈活、輕量級的陣列設(shè)計(jì)在未來太空任務(wù)中滿足不斷增長的功率需求具有吸引力。進(jìn)一步提升緩沖層質(zhì)量可能會(huì)提高IMM電池的輻射硬度。準(zhǔn)確評估輻射耐久性和性能需要模擬嚴(yán)苛的地外AM0光譜。為此,符合ASTM E927標(biāo)準(zhǔn)的太陽模擬器,如Enlitech的SS-ZXR可提供關(guān)鍵功能,包括1366 W/m2強(qiáng)度下2%均勻性的標(biāo)準(zhǔn)AM0光譜。氙弧燈光源緊密逼近太陽的5500K分布。此外,先進(jìn)的沉積AM0濾光片技術(shù)確保高光譜準(zhǔn)確性,可靠評估太空電池在其壽命期間推進(jìn)效率邊界。像SS-ZXR這樣的專用儀器將進(jìn)一步改善容忍度測試和特性化測試。

Fig. 3.(a)IMM太陽能電池和(b)LM太陽能電池在1 MeV電子和10 MeV質(zhì)子照射下I-V特性的降解。 (DDD = 3.16 × 1010 MeV/g)。


Fig. 7. IMM和LM太陽能電池EQE光譜在輻照下的降解

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