[發(fā)明專利]一種空間環(huán)境中的GaAs太陽(yáng)電池性能退化預(yù)測(cè)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110359926.6
• 申請(qǐng)日: 2011-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102393503A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范崢;張素娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/265
• 分類號(hào): G01R31/265
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

1.一種空間環(huán)境中的GaAs太陽(yáng)電池性能退化預(yù)測(cè)方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：GaAs太陽(yáng)電池在空間環(huán)境中的一維描述

GaAs太陽(yáng)電池在空間環(huán)境中的一維描述，是將GaAs太陽(yáng)電池簡(jiǎn)化為一個(gè)p-n結(jié)通過(guò)金屬電極外接負(fù)載；該一維描述僅顯示了光生載流子的有效產(chǎn)生區(qū)域：發(fā)射區(qū)與基區(qū)，而忽略用于防止表面復(fù)合的工藝層即窗口層；該一維描述的假設(shè)條件如下：①電池三個(gè)維度上各向同性，故只考慮x方向；②電池上端即發(fā)射區(qū)頂部受到太陽(yáng)入射光的光譜輻射與粒子輻射；③電池下端由于與基座粘接在一起，不接受外界的光譜輻射；

步驟二：考慮空間粒子輻射損傷對(duì)載流子有效壽命的影響

當(dāng)半導(dǎo)體器件受到具有一定能量即大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的帶電粒子輻射時(shí)，半導(dǎo)體材料中的原子從排列整齊的品格位置發(fā)生位移，產(chǎn)生大量的空位和間歇原子，形成品格缺陷，成為電子空穴對(duì)的復(fù)合中心，使太陽(yáng)電池的載流子壽命減小，電池性能出現(xiàn)退化，主要表現(xiàn)為短路電流J_sc、開(kāi)路電壓V_oc以及最大輸出功率P_m的降低；根據(jù)少主載流子連續(xù)性方程，少子有效壽命是該方程中的重要參數(shù)，只有確定該參數(shù)值才能計(jì)算剩余少子濃度，并為后續(xù)計(jì)算光生電流以及伏安特性提供支持；空間粒子輻射損傷模型即載流子有效壽命表示為：

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，T_cell為電池溫度，σ_n為復(fù)合中心的俘獲少數(shù)載流子電子的橫截面積，σ_p為復(fù)合中心的俘獲少數(shù)載流子空穴的橫截面積，v_th，n/p為載流子熱運(yùn)動(dòng)速率，N_t為復(fù)合中心濃度，E_t為GaAs材料中缺陷的電離能等級(jí)，E_i為帶隙中值；這些物理參數(shù)中，k，T_cell，v_th，n/p和E_i與粒子輻射無(wú)關(guān)，其他參數(shù)值均會(huì)因粒子輻射產(chǎn)生變化，需要深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試來(lái)確定數(shù)值；

步驟三：GaAs太陽(yáng)電池溫度的計(jì)算

對(duì)于太陽(yáng)電池溫度的迭代求解，首先考慮光譜輻射能的傳輸，該過(guò)程的一維模型表示為

φdIΔv(x,φ)dx=κΔv{rΔv2Ib,Δv[Tcell]-IΔv(x,φ)}---(2)]]>

式中：r_Δv為頻帶Δv內(nèi)的平均折射率；φ為折射角余弦值即φ＝cosθ；I_Δv(x，φ)為輻射強(qiáng)度I_v在頻帶Δv上的積分

I_Δv＝∫_ΔvI_vdv????(3)

I_b，Δv[T_cell]為普朗克方程在頻帶Δv上的積分，T_cell為電池溫度；

Ib,Δv[Tcell]=∫Δv2hv3c21exp(hvκTcell)-1dv---(4)]]>

此外，κ_Δv為對(duì)頻帶Δv中的光譜的平均吸收系數(shù)，需要考慮間帶κ_v，int、載流子κ_v，fc以及品格κ_v，lat三種光譜吸收過(guò)程，吸收系數(shù)總和為

κ_v＝κ_v，int+κ_v，fc+κ_v，lat??????(5)

光譜輻射過(guò)程的邊界條件遵循Snell定律和Fresnel定律，利用光譜輻射能傳輸方程得到電池體內(nèi)吸收到的光譜輻射能

GΔv(x)=2π∫-11IΔv(x,φ)dφ---(6)]]>

從而得到頻帶Δv內(nèi)的光生少子密度

gΔv=∫Δvκv,int(x)Gv(x)hvdv]]>(7)

=κΔv,int(x)GΔv(x)Δv∫Δv1hvdv]]>

式中：h為普朗克常數(shù)；

對(duì)于GaAs電池內(nèi)部的熱能傳輸，表示為一維平面系統(tǒng)中，考慮內(nèi)部熱量生成的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為

ddx{c[T(x)]ddxT(x)}+Q(x)=0---(8)]]>

該式可以確定電池體內(nèi)的溫度剖面；

式中：c[T(x)]為與溫度相關(guān)的熱導(dǎo)率，Q(x)為電池體內(nèi)的熱量生成率；為便于模型分析，電池體內(nèi)的溫度梯度忽略不計(jì)，視其為一個(gè)等溫體，記為T_cell，故上式第一項(xiàng)為0，即Q(x)＝0，具體地，電池體內(nèi)熱量生成由三部分組成

Q(x)＝-S_r(x)+Q_thermal(x)+Q_nrr(x)＝0??????(9)

式中：S_r(x)為電池向外空間的熱輻射能，Q_thermal(x)為光生少子跨越帶隙生成的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱能，Q_nrr(x)為光生少子的非輻射性復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生的熱量，其中：①電池體內(nèi)對(duì)空間的熱輻射是通過(guò)載流子或品格對(duì)光譜輻射能的吸收并熱放射來(lái)實(shí)現(xiàn)的，表示為

Sr(x)=∫0∞[κv,fc(x)+κv,lat(x)]{4πnv2(x)Ib,v[Tcell]-Gv(x)}dx]]>(10)

=ΣΔv[κv,fc(x)+κv,lat(x)]{4πnΔv2(x)Ib,Δv[Tcell]-GΔv(x)}]]>

式中：G_Δv(x)為電池體內(nèi)吸收的光譜輻射能，I_b，v[T_cell]為普朗克方程在頻帶Δv上的積分，κ_v，fc為載流子對(duì)光譜的吸收系數(shù)，κ_v，lat為品格對(duì)光譜的吸收系數(shù)；②光生少子跨越帶隙會(huì)產(chǎn)生熱能，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下其值Q_thermal(x)表示為

Qthermal(x)=∫hv>Egκv,int(x)Gv(x)hv(hv-Eg)dv]]>(11)

=ΣΔvκv,int(x)GΔv(x)Δv∫Δv,hv>Eg(1-Eghv)dv]]>

③對(duì)于少主載流子的復(fù)合機(jī)理，GaAs作為直接帶隙材料的復(fù)合過(guò)程分為非放射性性復(fù)合與放射性復(fù)合；非輻射性復(fù)合過(guò)程會(huì)以熱能的形式向外釋放，表示為

Qnrr,n,p(x)=ΣΔvEgτn,pΔnn,p(x,Δv)---(12)]]>

式中：Δn_n，p為剩余少子濃度，E_g為禁帶寬度，τ_n，p為少數(shù)載流子壽命；

此外，在計(jì)算溫度時(shí)，還需要利用少數(shù)載流子連續(xù)性方程；根據(jù)GaAs電池空間環(huán)境中一維描述，少數(shù)載流子連續(xù)性方程為

Dn,pd2Δnn,p(x)dx2-Δnn,p(x)τn,p+gΔv(x)=0---(13)]]>

該連續(xù)性方程的兩個(gè)邊界條件為：①p/n區(qū)與耗盡層交界面：該交界面少子均被內(nèi)建電場(chǎng)力吸引并完成復(fù)合，因此剩余少子濃度為零；

Δnp|x=wn-xn=Δnn|x=wn+xp=0---(14)]]>

②p/n區(qū)與金屬化層交界面：考慮到發(fā)射區(qū)與基區(qū)為實(shí)際產(chǎn)生光生電流的區(qū)域，表面復(fù)合作用已被窗口層、緩沖層有效地抑制或抵消，因此認(rèn)為該交界面的表面復(fù)合速率為0ms^-1，因此有

DpdΔnn(x)dx|x=0=DndΔnp(x)dx|x=wn+wp=0---(15)]]>

太陽(yáng)電池溫度的初值應(yīng)為其進(jìn)入指定軌道時(shí)的溫度T_cell，0，故確定載流子擴(kuò)散系數(shù)D_n，p與本征載流子密度N_i初值；將T_cell，0代入光譜輻射能傳輸方程，求得輻射強(qiáng)度I_Δv(x，φ)，將其在φ上積分求解太陽(yáng)電池體內(nèi)獲得的光譜輻射能G_Δv(x)以及光生少子密度g_Δv(x)；將g_Δv(x)代入少數(shù)載流子連續(xù)性方程計(jì)算剩余少子濃度Δn_n，p(x)從而求解載流子非放射性復(fù)合所生成的熱量Q_nrr，而G_Δv(x)用來(lái)計(jì)算與光生少子跨越帶隙生成的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱能Q_thermal(x)；根據(jù)式(9)，電池體內(nèi)的總熱量守恒，因此求解電池向外空間的熱輻射能S_r(x)，從而解得電池溫度T_cell，1，計(jì)算過(guò)程進(jìn)入下一次迭代；經(jīng)過(guò)上述迭代，電池溫度收斂于某一恒定值或者在某一值左右震蕩；

步驟四：GaAs太陽(yáng)電池性能退化的預(yù)測(cè)是通過(guò)計(jì)算伏安特性來(lái)實(shí)現(xiàn)

首先需計(jì)算光生電流；光生電流由三部分組成：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、耗盡層；其中，基區(qū)和發(fā)射區(qū)的光生電流密度分別與該區(qū)域內(nèi)少子總濃度梯度在其與耗盡層交界面的值成比例

Jp=-qDn∂nn∂x|x=wn-xn---(16)]]>

Jn=qDp∂np∂x|x=wn+xp---(17)]]>

式中：q為電子電荷；

由于耗盡層內(nèi)的載流子復(fù)合過(guò)程可以忽略，因此該區(qū)域內(nèi)的光生少數(shù)載流子即光生少子越過(guò)p-n結(jié)到達(dá)對(duì)方區(qū)域均是由內(nèi)建電場(chǎng)作用完成的，因此耗盡層內(nèi)的電流密度表示為

Jdz=q∫wn-xnwn+xpgΔv(x)dx---(18)]]>

綜上，頻帶Δv內(nèi)的光生電流密度總和為各個(gè)區(qū)域內(nèi)電流密度的疊加

J_ph＝J_n+J_p+J_dz????(19)

通過(guò)將所有頻帶Δv內(nèi)的光生電流密度疊加，求得光譜輻射所產(chǎn)生的光生電流密度總和；

當(dāng)p-n結(jié)外接負(fù)載對(duì)外供電時(shí)，其兩端會(huì)出現(xiàn)二極管電壓V_D，該電壓將破壞p-n結(jié)原有的平衡狀態(tài)，同時(shí)該電壓產(chǎn)生的電流與光生電流方向相反，稱為二極管電流J_D；因此，工作狀態(tài)下p-n結(jié)的有效電流密度表示為

J＝J_ph-J_D(V_D)???????(20)

利用無(wú)入射光譜條件即黑暗狀態(tài)下的連續(xù)性方程求解二極管電流密度J_D，即去掉式(13)中的光生少子生成率g_Δv(x)；相應(yīng)地，邊界條件調(diào)整為：①p/n區(qū)與耗盡層交界面：應(yīng)考慮p-n結(jié)兩端供電電壓V_D

Δnn|x=wn+xp=ni2Ndexp(qVDkTcell)---(21)]]>

Δnp|x=wn-xn=ni2Naexp(qVDkTcell)---(22)]]>

式中：N_d，a為受主與施主濃度，k為玻爾茲曼常數(shù)，V_D為二極管電壓；②p/n區(qū)與金屬電極交界面：該邊界條件與含光生電流項(xiàng)的邊界條件相同，見(jiàn)式(15)，根據(jù)上述的計(jì)算步驟，就得到相應(yīng)的p-n結(jié)伏安特性曲線，利用伏安特性曲線就能確定太陽(yáng)電池的三個(gè)關(guān)鍵電參數(shù)及性能退化情況。