顏平遠(yuǎn), 涂潔磊, 張煒楠, 徐曉壯, 宋冠宇, 孫曉宇

(云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所,可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

1 引 言

多結(jié)太陽(yáng)電池因?qū)μ?yáng)光譜充分利用具有比單結(jié)太陽(yáng)電池更高的轉(zhuǎn)換效率以及更好的抗輻射性[1]，其中每個(gè)單獨(dú)的子電池吸收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍的光并轉(zhuǎn)換為電流，因此子電池之間的電流匹配成為獲得高效多結(jié)太陽(yáng)電池的關(guān)鍵因素.此外，在空間環(huán)境中存在許多帶電粒子[2]，當(dāng)半導(dǎo)體器件暴露在這些帶電粒子環(huán)境下時(shí)會(huì)引起電學(xué)性能的退化進(jìn)而影響其穩(wěn)定性.目前空間服役的是正向晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池，研究人員發(fā)現(xiàn)GaAs中電池在受到高能質(zhì)子或電子輻照后損傷最為嚴(yán)重[3].Emcore團(tuán)隊(duì)報(bào)道了1 MeV高能電子輻照下倒置生長(zhǎng)(Invert metamorphic,IMM)四結(jié)太陽(yáng)電池的損傷效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)ln0.3Ga0.7As(1.0 eV)子電池輻照后電學(xué)性能退化最嚴(yán)重[4-5],因此研究人員開(kāi)始尋找方法來(lái)提高太陽(yáng)電池的抗輻照能力,其中Emelyanov等人研究了GaAs電池在 3 MeV電子輻照下的性能變化，并驗(yàn)證了添加布拉格反射器(DBR)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池理論上抗輻照的可行性[6].此外，目前DBR結(jié)構(gòu)在三結(jié)太陽(yáng)電池中已有相關(guān)應(yīng)用[7]，但是在四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池中的應(yīng)用還處于探索階段.

2 DBR的設(shè)計(jì)與模擬

2.1 DBR原理及相關(guān)計(jì)算

DBR是由外延法沉積出的多層高折射率和低折射率材料組成交替的周期性結(jié)構(gòu).當(dāng)光射入這些不同折射率的材料對(duì)時(shí)，由于各膜層界面反射的光滿足光學(xué)干涉條件，這些光就會(huì)互相結(jié)合在一起形成反射光.當(dāng)膜層的反射光束中相鄰兩光束的相位差為π時(shí)反射最強(qiáng)，并且當(dāng)層數(shù)達(dá)到一定的周期時(shí)，在中心波長(zhǎng)λ0范圍內(nèi)的光便可實(shí)現(xiàn)接近100%的反射.DBR結(jié)構(gòu)中的膜系恰恰能滿足每層材料的光學(xué)厚度d為中心反射波長(zhǎng)的1/4并且在各界面的反射光發(fā)生干涉相長(zhǎng)，高低折射率材料膜層厚度tH和tL分別滿足

tH=λ0/(4nH),tL=λ0/(4nL)

(1)

式中λ0為中心波長(zhǎng).nH是高折射率材料的折射率，nL是低折射率材料的折射率，DBR結(jié)構(gòu)的前后接觸層折射率分別為n0和nS，膜系上層為高折射率層，假設(shè)材料無(wú)吸收損耗，則對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)λ0的反射率可表示為

(2)

另外DBR結(jié)構(gòu)高反射區(qū)的帶寬可以表示為

(3)

因此，DBR結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)與材料折射率比值大小同反射率密切相關(guān)，高反射區(qū)帶寬只與兩種材料的折射率相關(guān)，折射率差值越大，帶寬越寬.

2.2 DBR材料選擇

從光譜角度考慮，為了提高多結(jié)太陽(yáng)電池中電流限制結(jié)中的光電流，應(yīng)該設(shè)法將電流限制結(jié)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光進(jìn)行充分利用，為此通過(guò)減薄頂中電池厚度，減少光子在到達(dá)空間電荷區(qū)前的擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合，并考慮在電流限制結(jié)下嵌入合適的DBR結(jié)構(gòu)使其能夠反射光以提升子電池的電流，最終達(dá)到提高整個(gè)電池性能的目的.DBR結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)材料有很多種，經(jīng)過(guò)理論分析并結(jié)合材料晶格匹配程度，發(fā)現(xiàn)能夠嵌入到多結(jié)太陽(yáng)電池中的DBR生長(zhǎng)材料主要有以下5種： AlInP/GaInP、AlAs/GaAs、GaInP/GaAs、AlInP/GaAs、AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs.在這幾種材料中，GaAs本身是子電池的材料會(huì)產(chǎn)生干擾，實(shí)際生產(chǎn)中高質(zhì)量的AlInP又難以生長(zhǎng).因此AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs是生長(zhǎng)布拉格反射器較為理想的材料，不同組分的AlGaAs膜層材料在波長(zhǎng)300-1 800 nm的折射率對(duì)比如圖1所示.

從圖1中可以看出，折射率最高的是Al0.1Ga0.9As，折射率最低的是Al0.9Ga0.1As.結(jié)合中心波長(zhǎng)范圍需控制在電流限制結(jié)光譜范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)目的，觀察該范圍內(nèi)各材料折射率大小，最終選擇x=0.1,y=0.9，因此選定膜層材料為高折射率層Al0.1Ga0.9As，低折射率層為Al0.9Ga0.1As.

圖1 不同組分AlGaAs膜層材料的折射率與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 中心波長(zhǎng)選擇

文中的四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池為GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7As/In0.58Ga0.42As，考慮到第三結(jié)子電池很有可能是電流限制結(jié)，所以設(shè)想在In0.3Ga0.7As子電池下方嵌入DBR結(jié)構(gòu).根據(jù)DBR設(shè)計(jì)原理，膜系高折射率層與低折射率層之間折射率比值越大越好，隨著波長(zhǎng)大于880 nm，高折射率膜層Al0.1Ga0.9As與低折射率膜層Al0.9Ga0.1As的比值不斷下降.又因In0.3Ga0.7As子電池吸收光譜波段為880-1 250 nm，且四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池在900-1 000 nm范圍內(nèi)光譜響應(yīng)較低，因此選擇中心波長(zhǎng)λ0為960 nm，根據(jù)公式(3)計(jì)算出該DBR結(jié)構(gòu)的高反帶寬為165 nm，完全可以覆蓋四結(jié)太陽(yáng)電池的低光譜響應(yīng)區(qū)域，因此經(jīng)過(guò)計(jì)算得到在960 nm處兩種膜層材料的折射率分別為3.48和3.08，對(duì)應(yīng)的膜層厚度分別為67.19和80.76 nm.

2.4 DBR對(duì)數(shù)計(jì)算

使用Macleod軟件對(duì)引入四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池中的DBR結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，充分考慮入射環(huán)境，設(shè)置中心波長(zhǎng)960 nm，入射材質(zhì)為In0.3Ga0.7As，基底材質(zhì)為In0.58Ga0.42As，其中引入的這兩種材質(zhì)對(duì)應(yīng)的(n，k)譜分別如圖2所示.

利用Macleod軟件分別模擬生長(zhǎng)10個(gè)和15個(gè)周期的Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As，波長(zhǎng)分析范圍為300-1 800 nm，其反射率與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖3所示.進(jìn)一步模擬發(fā)現(xiàn)膜層的周期數(shù)越大DBR的反射率越高，事實(shí)上當(dāng)周期數(shù)達(dá)到20時(shí)反射率接近100%，此后周期數(shù)的增加反射率基本保持不變.當(dāng)周期數(shù)超過(guò)15后，每增加一個(gè)周期，反射率的增幅就很小，而且在實(shí)際生產(chǎn)中膜層越多質(zhì)量也越難保證.從圖3中看出在四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的低光譜響應(yīng)區(qū)900-1 000 nm范圍內(nèi)，15個(gè)周期的DBR反射率超過(guò)70%，在中心波長(zhǎng)處反射率更是高達(dá)98.4%，因此選定15個(gè)周期作為DBR的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu).

圖2 In0.3Ga0.7As和In0.58Ga0.42As材料的折射率和消光系數(shù)

3 DBR結(jié)構(gòu)抗輻照驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品為3個(gè)IMM4J太陽(yáng)電池，均通過(guò)金屬有機(jī)化合物氣相沉積法(MOCVD)制備，每個(gè)樣品面積為3×4 cm2，并對(duì)各太陽(yáng)電池進(jìn)行1 MeV高能電子輻照實(shí)驗(yàn)，輻照設(shè)備采用ELV-8電子加速器，在室溫和AM0(輻照功率為1 367 W/m2)條件下進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，電子能量選取1 MeV，瞬時(shí)通量為1×1011e/(cm2·s)，注量為1×1015e/cm2，輻照時(shí)間為10 000 s，輻照前后均進(jìn)行I-V測(cè)試，對(duì)比分析輻照前后的電學(xué)性能參數(shù).

圖3 不同周期對(duì)數(shù)的DBR結(jié)構(gòu)反射率與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 (a) A號(hào)太陽(yáng)電池基準(zhǔn)工藝結(jié)構(gòu);(b) B號(hào)太陽(yáng)電池減薄GaInP、GaAs子電池厚度(c) C號(hào)太陽(yáng)電池減薄GaInP、GaAs子電池厚度并嵌入DBR結(jié)構(gòu)

圖4 (a)中的基準(zhǔn)工藝是指正常外延條件生長(zhǎng)的倒置四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池(IMM4J)；圖4 (b)中的頂中電池厚度減薄則是相對(duì)減少了第一結(jié)子電池GaInP和第二結(jié)子電池GaAs的基區(qū)厚度；圖4 (c)中在減薄頂中電池的基礎(chǔ)上，將15對(duì)Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR引入電池外延結(jié)構(gòu)中.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖5中可以看到在800-1 300 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的A號(hào)電池和C號(hào)電池的反射率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)制備出來(lái)的含有DBR結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池C在中心波長(zhǎng)952 nm處的反射率最高，達(dá)到92.3%，且高反射區(qū)間在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Macleod軟件模擬結(jié)果差異不大，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)已成功制備出了達(dá)到預(yù)期效果的電池.

通過(guò)對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電子輻照之前，在基準(zhǔn)外延工藝的基礎(chǔ)上減薄IMM4J電池中的頂中電池厚度之后，電池對(duì)光子的吸收能力降低，導(dǎo)致短路電流(Isc)和電池效率明顯降低.

經(jīng)過(guò)電子輻照過(guò)后，太陽(yáng)電池的電學(xué)性能會(huì)發(fā)生明顯衰減，主要原因是由于高能粒子輻照引入了深能級(jí)缺陷，并且這些缺陷作為復(fù)合中心，降低了光生載流子壽命，從而減少了光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，降低了收集光子效率，最終導(dǎo)致各項(xiàng)電學(xué)性能降低.

圖5 DBR結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)電池反射率的影響

表1 不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池輻照前后電學(xué)性能影響

但是，通過(guò)對(duì)比A和B號(hào)太陽(yáng)電池輻照前后性能的衰減程度發(fā)現(xiàn)，減薄頂中電池厚度的電池經(jīng)過(guò)輻照之后，Isc和電池效率衰減程度均較小，且輻照之后的電學(xué)性能均比基準(zhǔn)工藝要好，由太陽(yáng)電池非輻射復(fù)合電流密度的公式[8](4-5)也可看出減小電池吸收區(qū)厚度可以減少非輻射復(fù)合電流密度，從而減少輻照缺陷造成電池的效率衰減，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明減薄頂中電池厚度的電池輻照后電學(xué)性能的衰減幅度比正常工藝條件下的電池要小，而且輻照后的電學(xué)性能要比基準(zhǔn)工藝條件下好.

JSRH≈JAe-(Eg-Eu)/2kTe-qV/2kT(eqV/kT-1)

(4)

(5)

同時(shí)，在減薄頂中電池厚度的基礎(chǔ)上，生長(zhǎng)15對(duì)Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As的DBR結(jié)構(gòu)在In0.3Ga0.7As子電池下方.觀察表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在電子輻照之前，增加DBR結(jié)構(gòu)之后，導(dǎo)致Isc和電池效率均明顯增大.這是由于DBR結(jié)構(gòu)能夠?qū)μ囟úǘ蔚墓膺M(jìn)行二次吸收，在一定程度上彌補(bǔ)了頂中電池減薄的影響，在經(jīng)過(guò)電子輻照之后，C號(hào)電池輻照后的各項(xiàng)電學(xué)性能均要優(yōu)于A號(hào)電池和B號(hào)電池，這表明生長(zhǎng)的這15個(gè)周期的DBR結(jié)構(gòu)起到了良好的反射作用，明顯改善了四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的電流衰減，提升了抗輻照性能.

4 結(jié) 論

提出在四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池中In0.3Ga0.7As子電池下生長(zhǎng)DBR結(jié)構(gòu)的設(shè)想，同時(shí)利用Macleod軟件理論計(jì)算出由15對(duì)Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As材料組成的適用于四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的DBR結(jié)構(gòu)，并且成功制備出含有該DBR結(jié)構(gòu)的電池，最終模擬得出在中心波長(zhǎng)960 nm處有98.4%的反射率,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.另外對(duì)比分析了有無(wú)該DBR結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)電池電學(xué)性能輻照衰減，確定引入該理論DBR結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)電池各項(xiàng)電學(xué)性能衰減幅度比未引入DBR結(jié)構(gòu)電池要小，說(shuō)明引入該DBR結(jié)構(gòu)的四結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池在抗輻照方面有積極作用，能夠改善電學(xué)性能衰減從而提升了抗輻照能力.