張延清 齊春華? 周佳明 劉超銘? 馬國亮蔡勖升 王天琦3) 霍明學(xué)

1) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院， 哈爾濱 150001)

2) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

3) (中國科學(xué)院微電子研究所， 北京 100029)

本文為研究1 MeV 電子輻照倒置四結(jié)(IMM4J)太陽電池InGaAs(1.0 eV)和 InGaAs(0.7 eV)關(guān)鍵子電池的退火效應(yīng)， 將輻照后的兩種子電池在60—180 ℃溫度范圍累計(jì)退火180 min， 并對不同退火溫度、退火時(shí)間下的兩種子電池進(jìn)行了光IV 測試、暗IV 測試和光譜響應(yīng)測試. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種子電池的開路電壓Voc、短路電流Isc 和最大輸出功率Pmax 隨著退火時(shí)間的延長逐漸恢復(fù)， 溫度越高， 恢復(fù)程度越大. 在相同的退火條件下， InGaAs(1.0 eV)子電池的恢復(fù)程度比InGaAs(0.7 eV)子電池小. 本文通過對暗特性曲線進(jìn)行雙指數(shù)模型擬合， 得到不同退火條件下兩種子電池的串聯(lián)電阻Rs、并聯(lián)電阻Rsh、擴(kuò)散電流Is1、復(fù)合電流Is2. 結(jié)果表明在退火過程中兩種子電池的Rsh 逐漸增大， Rs， Is1 和Is2 逐漸減小. 溫度越高， 退火時(shí)間越長， 恢復(fù)程度越大. 在退火60 min 后兩種子電池的Voc， Isc 和Pmax 恢復(fù)程度均可達(dá)到整體恢復(fù)程度的85%以上. InGaAs(1.0 eV)子電池的Is1 和Is2 的恢復(fù)程度遠(yuǎn)大于InGaAs(0.7 eV). 本文建立了短路電流密度Jsc 和缺陷濃度N 的等效模型， 以此計(jì)算得到InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)兩種子電池的熱退火激活能分別為0.38 eV 和0.26 eV.

1 引 言

倒置四結(jié)(IMM4J)太陽電池GaInP(1.89 eV)/GaAs (1.41 eV)/In0.3Ga0.7As (1.0 eV)/In0.58Ga0.42As (0.7 eV)是根據(jù)光譜匹配原則設(shè)計(jì)的新型太陽電池， 同正向三結(jié)GaInP/GaAs/Ge 太陽電池相比具有更高的光電轉(zhuǎn)化效率[1，2]. 美國國家可再生資源實(shí)驗(yàn)室(NREL)科研人員制備成的IMM4 J 電池在AM1.5D 327 suns 下效率可達(dá)(43.8 ± 2.2)%，在AM1.5D 869 suns 下轉(zhuǎn)化效率達(dá)到(42.9 ±2.1)%[3]. 天津三安光電有限公司研究人員通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)制備的IMM 系列電池同正向三結(jié)電池相比轉(zhuǎn)化效率高5%左右[4].此外， IMM4J 電池還可以鍵合在輕質(zhì)基體上， 該實(shí)驗(yàn)室利用剝離膜技術(shù)成功制備了輕質(zhì)IMM 系列薄膜柔性太陽電池[5]. 上海大學(xué)通過金屬背支撐刻蝕技術(shù)制備了柔性三結(jié)太陽電池[6]. 美國波音實(shí)驗(yàn)室對其自主研制的IMM4J 電池進(jìn)行了電子輻照實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)其輸出功率損傷程度和IMM3 J 電池相近， 在1 MeV 電子1 × 1011cm—2·s—1通量下注入1 ×1015cm—2后， IMM4J 和IMM3J 剩余功率分別為80%和84%[7]. 光熒光(PL)測試定性地證明了被輻照的In0.3Ga0.7As(1.0 eV)子電池的τeff退化程度高于GaAs 子電池， 使得In0.3Ga0.7As(1.0 eV)子電池電性能退化更快[8].

除了帶電粒子輻照損傷外， 溫度對太陽電池的輸出性能也有很大影響. 近地軌道向陽面溫度可高達(dá)200 ℃， 因此研究200 ℃以下退火太陽電池的輸出性能具有實(shí)際意義. Loo 等[9]對AlGaAs/GaAs太陽電池進(jìn)行了1 MeV 電子和15—40 MeV 質(zhì)子輻照后性能退化規(guī)律及熱退火效應(yīng)的研究. 美國Hughes 實(shí)驗(yàn)室[10，11]和NASA Langley 研究中心[12，13]對單結(jié)GaAs 電池進(jìn)行了帶電粒子輻照損傷實(shí)驗(yàn)與熱退火實(shí)驗(yàn). 在輻照過程中的少子擴(kuò)散長度的縮短和多子去除效應(yīng)是Ge 基GaAs 電池的短路電流和開路電壓損傷的主要原因[14]. 1 MeV 電子輻照后的單結(jié)GaAs 電池在200 ℃真空退火15 h 后輸出短路電流完全恢復(fù)， 在200 ℃以下退火光譜響應(yīng)(QE)和短路電流有所恢復(fù). 200 ℃熱退火使質(zhì)子輻照后的單結(jié)GaAs 電池輸出性能部分恢復(fù)[15].日本豐田工業(yè)大學(xué)研究人員對不同結(jié)構(gòu)的GaInP太陽電池進(jìn)行了電子輻照實(shí)驗(yàn)以及退火研究， 結(jié)果表明GaInP 子電池在退火過程中缺陷濃度降低，電學(xué)性能恢復(fù)[16]. 此外， 光照和正向偏置條件下的少數(shù)載流子注入對GaInP 子電池的退火有增強(qiáng)作用. 通過計(jì)算得到GaInP 電池的熱退火激活能為1.1 eV. PL 測試顯示熱退火使得In0.16Ga0.84As/GaAs 少子壽命恢復(fù)， 這是由于熱退火使得電池位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)致線缺陷濃度降低[17]. 一般來說， 太陽電池樣品外延生長后， 對其芯片處理過程中會(huì)對其進(jìn)行15 min 350 ℃熱退火處理， 此工藝可增強(qiáng)電池樣品上下電極的歐姆接觸， 減小其串聯(lián)電阻； 同時(shí)可以大幅減少由外延生長引入的原生缺陷， 從而保證電池樣品的性能與熱穩(wěn)定性. 目前， 關(guān)于IMM4J電池及In0.3Ga0.7As 子電池和In0.58Ga0.42As 子電池帶電粒子輻照缺陷的退火效應(yīng)研究還未見報(bào)道.

本文對1 MeV 電子輻照后IMM4J 太陽電池關(guān)鍵子電池InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)進(jìn)行了熱退火實(shí)驗(yàn)， 深入研究兩種InGaAs 子電池的光特性與暗特性， 得到了兩種子電池的光輸出性能、光譜響應(yīng)性能與暗電路參數(shù)的變化規(guī)律， 并計(jì)算得到兩種InGaAs 子電池的熱退火激活能.

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用樣品為揚(yáng)州乾照光電提供的IMM4J 電池第三結(jié)In0.3Ga0.7As(1.0 eV)與第四結(jié)In0.58Ga0.42As(0.7 eV)關(guān)鍵子電池. 兩種子電池表面積均為10 mm × 10 mm， 采用MOCVD 工藝， 利用7 階晶格失配漸變緩沖層結(jié)構(gòu)調(diào)整晶格常數(shù)， 在GaAs 臨時(shí)襯底開始外延生長. 在這些電池樣品中， 為了保證子電池與IMM4 J 電池對應(yīng)結(jié)具有相同的光電和輻照損傷特性， 只有相應(yīng)的結(jié)制成PN 結(jié).

圖1(a)給出了InGaAs(1.0 eV)的子電池結(jié)構(gòu)， 在GaAs 層與InGaAs(1.0 eV)之間外延生長了3000 nm 的晶格常數(shù)漸變緩沖層. P 型摻雜濃度為1 × 1017cm—3， 厚度為3000 nm； N 型摻雜濃度為2 × 1018cm—3， 厚度為100 nm. 圖1(b)給出了InGaAs(0.7 eV)子電池結(jié)構(gòu)， 在GaAs 層與InGaAs(1.0 eV)之間和InGaAs(1.0 eV)與InGaAs(0.7 eV)之間分別外延生長了3000 nm 的漸變緩沖層. 在N 型In0.58Ga0.42As 和P 型In0.58Ga0.42As之間含有本征層， 形成PIN 結(jié)構(gòu). P 型摻雜濃度為1 × 1017cm—3， 厚度為3000 nm； N 型摻雜濃度為1 × 1018cm—3， 厚度為300 nm； 本征層厚度為100 nm. 圖2 是兩種InGaAs 子電池樣品在AM1.5G光譜條件下的I-V特性曲線. 在室溫下， InGaAs(1.0 eV)子電池的開路電壓Voc， 短路電流Isc， 最大輸出功率Pmax分別為0.5089 V， 18.25 mA 和7.3 mW. InGaAs(0.7 eV)子電池的開路電壓Voc，短路電流Isc， 最大輸出功率Pmax分別為0.2529 V，11.66 mA 和1.94 mW.

1 MeV 電子輻照使用黑龍江技術(shù)物理研究所的高壓電子加速器. 在大氣室溫環(huán)境下進(jìn)行1 MeV電子輻照實(shí)驗(yàn)， 輻照通量選擇為1 × 1011cm—2·s—1，最大注量為1 × 1015cm—2. 輻照后樣品在60—180℃暗置開路條件下退火180 min. 在退火過程中溫度穩(wěn)定度為 ±1 ℃. 分別在退火0， 3， 5， 10， 15， 30，60， 120 和180 min 時(shí)對樣品進(jìn)行光特性I-V測試、暗特性I-V測試以及光譜響應(yīng)測試. 本實(shí)驗(yàn)光特性I-V測試使用上海赫爽HSC1 型太陽電池測試系統(tǒng)， 暗特性I-V測試使用美國Keithley 2636 A 雙通道系統(tǒng)數(shù)字源表， 光譜響應(yīng)測試使用美國PV Measurements 公司QEX10 型太陽電池量子效率測試系統(tǒng).

圖1 InGaAs (1.0 eV)和InGaAs (0.7 eV) 子電池結(jié)構(gòu)示意圖 (a) InGaAs (1.0 eV)； (b) InGaAs (0.7 eV)Fig. 1. Configurations of the InGaAs (1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub-cells： (a) InGaAs (1.0 eV)； (b) InGaAs (0.7 eV).

圖2 InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)子電池I-V 特性曲線 (a) InGaAs (1.0 eV)； (b) InGaAs (0.7 eV)Fig. 2. IV curves of the InGaAs(1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub-cells： (a) InGaAs(1.0 eV)； (b) InGaAs (0.7 eV)..

3 結(jié)果與分析

通過CASINO 軟件模擬1 MeV 電子垂直入射InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)兩種子電池中的運(yùn)動(dòng)軌跡， 結(jié)果顯示1 MeV 電子在兩種子電池材料的入射深度達(dá)8 × 105nm， 遠(yuǎn)超兩種子電池的有源區(qū)厚度， 因此， 可以認(rèn)為1 MeV 電子輻照對兩種子電池近似產(chǎn)生均勻損傷. 圖3(a)和圖3(b)分別為兩種子電池的CASINO 模擬結(jié)果.

兩種InGaAs 子電池除柵線的表面覆有130—140 nm 左右單晶Al2O3鈍化層來減少電池表面光反射損失， 增加光透射來提高光電轉(zhuǎn)換效率. 為此， 對輻照前和1 MeV 電子輻照1 × 1015cm—2后的電池樣品， 經(jīng)超聲波清洗表面后， 進(jìn)行了原子力顯微鏡(AFM)測試， 結(jié)果如圖4 所示. 結(jié)果顯示樣品表面有凹凸不平的減反射層結(jié)構(gòu)， 輻照前后樣品表面粗糙度均方根Rms分別為7.213 和7.362 nm， 可見1 MeV 電子輻射電池對樣品表面粗糙度幾乎不產(chǎn)生影響， 可以近似忽略表面損傷對電性能的影響.

圖3 1 MeV 電子在InGaAs (1.0 eV)和InGaAs (0.7 eV)子電池中運(yùn)動(dòng)軌跡 (a) InGaAs (1.0 eV)； (b) InGaAs(0.7 eV)Fig. 3. The trajectory of 1 MeV electron in InGaAs (1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub cells： (a) InGaAs(1.0 eV) ； (b) InGaAs(0.7 eV).

圖4 AFM 測試1 MeV 電子輻照InGaAs 子電池前后表面形貌及橫向剖面對比圖 (a)未輻照子電池； (b)輻照1 × 1015 cm—2 后子電池； (c)橫向剖面圖Fig. 4. Surface morphology and cross section of InGaAs sub-cell before and after 1 MeV electron irradiation by AFM： (a) The unirradiated sub-cell； (b) the sub-cell after 1 × 1015 cm—2 electron irradiation； (c) the cross section comparison.

3.1 光性能

不同樣品之間具有一定的個(gè)體差異， 因此對電性能參數(shù)P進(jìn)行了歸一化處理. 即

其中Panneal為退火后的電性能參數(shù)值；P0為輻照后電池參數(shù)值.

開路電壓Voc、短路電流Isc和最大輸出功率Pmax是太陽電池最主要的輸出參數(shù). 分析太陽電池Voc，Isc和Pmax輻照前后和退火過程中的變化規(guī)律可以研究其輻照損傷效應(yīng)和退火效應(yīng). 表1 和表2 列出兩種子電池輻照前后的Voc，Isc和Pmax絕對值和剩余率. 輻照后InGaAs(1.0 eV)子電池比InGaAs(0.7 eV)的Voc和Isc剩余率分別大5%左右，Pmax大15%左右. InGaAs(1.0 eV)子電池的抗輻照性能略好. 輻照過程中，Voc的退化程度應(yīng)小于Isc[18-20]. 本文兩種子電池的Voc退化程度略大于Isc. 這是由于樣品本征缺陷較多， 導(dǎo)致初始的Isc較低， 電子輻照缺陷對電池的Isc退化產(chǎn)生的作用效果降低. InGaAs(0.7 eV)子電池的PN 結(jié)中具有中性層結(jié)構(gòu)， 結(jié)區(qū)厚度增加， 缺陷數(shù)量增加，而Voc的退化主要源自結(jié)區(qū). 因此， InGaAs(0.7 eV)子電池Voc退化程度更大.

表1 1 MeV 輻照前后InGaAs(1.0 eV)子電池的Voc， Isc 和PmaxTable 1. Voc， Isc and Pmax of InGaAs(1.0 eV) subcells before and after electron irradiated.

不同退火溫度下， 兩種InGaAs 子電池Voc，Isc和Pmax退火恢復(fù)規(guī)律如圖5 所示. 可以看出，Voc，Isc和Pmax逐漸恢復(fù)， 隨著退火時(shí)間延長， 恢復(fù)速度逐漸降低. 退火60 min 后， 參數(shù)基本不再變化， 且退火溫度越高， 恢復(fù)程度越大. 在退火60 min 時(shí)， 兩種子電池Voc，Isc和Pmax恢復(fù)程度均已達(dá)到退火180 min 時(shí)的85%以上. 當(dāng)退火溫度較低時(shí)， 兩種子電池的Voc和Isc恢復(fù)程度均較小. 在較高溫度退火下， InGaAs (0.7 eV)子電池的恢復(fù)程度更大. 兩種電池的Pmax恢復(fù)程度大于Isc和Voc， 這是由于Pmax的恢復(fù)程度與I和V乘積有關(guān).

表2 1 MeV 輻照前后InGaAs (0.7 eV)子電池的Voc， Isc 和PmaxTable 2. Voc， Isc and Pmax of InGaAs (0.7 eV) subcells before and after electron irradiated.

圖5 不同溫度退火不同時(shí)間下兩種InGaAs 子電池Voc， Isc 和Pmax 變化曲線Fig. 5. Normalized Voc， Isc and Pmax curves of InGaAs sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.

結(jié)區(qū)對光生載流子的分離作用產(chǎn)生光電流， 而光生載流子源自結(jié)區(qū)自身的激發(fā)和基區(qū)擴(kuò)散. 對于摻雜濃度較高的太陽電池器件來說， 其結(jié)區(qū)厚度較薄， 因此基區(qū)少子擴(kuò)散是光電流的主要組成部分.電子輻照在電池中引入輻照缺陷， 使得少子擴(kuò)散長度降低，Isc下降； 而在退火過程中， 輻照缺陷逐漸減少， 少子擴(kuò)散長度增加，Isc得以逐漸恢復(fù). 在較低摻雜濃度下， 太陽電池Voc有如下關(guān)系[21]：

式中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量，ni為本征載流子濃度，n為多子濃度. 輻照缺陷成為俘獲中心， 導(dǎo)致n降低. 在退火過程中，輻照缺陷數(shù)量會(huì)逐漸減少， 多子濃度增大， 使得開路電壓恢復(fù).

圖6 InGaAs (1.0 eV)子電池不同溫度退火不同時(shí)間的EQE 曲線Fig. 6. EQE curves of InGaAs (1.0 eV) sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.

光譜響應(yīng)測試可以測試太陽電池將不同波長光子轉(zhuǎn)化為電子的能力， 是太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率的重要測試手段之一. 圖6 和圖7 分別是兩種子電池在不同溫度退火不同時(shí)間的光譜響應(yīng)曲線. 從圖中可以看出， 隨著退火時(shí)間的延長， 太陽電池的光譜響應(yīng)曲線逐漸升高， 這說明太陽電池光電轉(zhuǎn)化性能逐漸恢復(fù). 從InGaAs (1.0 eV)子電池的EQE 曲線中可以明顯地看出， 長波區(qū)EQE 下降程度較大. 太陽電池對光子的吸收與光子入射深度有關(guān). 在太陽電池吸收波長范圍內(nèi)， 短波長光子優(yōu)先在入射深度較淺的區(qū)域激發(fā)出光生載流子， 入射深度越大的區(qū)域吸收的光子波長越大. 根據(jù)太陽電池結(jié)構(gòu)， N 型區(qū)厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于P 型區(qū)厚度， 長波段光子主要在P 型區(qū)深處被吸收. 在電子輻照產(chǎn)生均勻損傷的前提下， P 型區(qū)缺陷數(shù)量增加較大. 在P 型區(qū)越深處產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)前被復(fù)合的概率越大. 故而在輻照及退火過程中， EQE 曲線長波段相應(yīng)變化較大. 而對于InGaAs (0.7 eV)子電池， 不同波段的EQE 變化差異性不是很明顯，這是由于InGaAs (0.7 eV)子電池樣品原生缺陷濃度過高造成的.

圖7 不同溫度退火不同時(shí)間的InGaAs (0.7 eV)子電池EQE 曲線Fig. 7. EQE curves of InGaAs (0.7 eV) sub-cells anneal at different annealing temperatures for different times.

3.2 暗特性

太陽電池是一種典型的肖特基二極管器件， 其暗特性曲線與常規(guī)PN 結(jié)I-V曲線類似. 本文采用雙指數(shù)模型[22]對兩種子電池暗特性I-V曲線進(jìn)行擬合來分析擴(kuò)散電流Is1、復(fù)合電流Is2、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh在退火過程中的變化. 雙指數(shù)模型I-V曲線滿足：

式中UT為熱電壓，A1和A2為常數(shù). 表3 和表4分別是兩種太陽電池輻照前后擬合所得的Rs，Rsh，Is1和Is2. 高能電子輻照引入輻照缺陷， 使兩種InGaAs 子電池Rs變大，Rsh變小，Is1和Is2變大.其中InGaAs (1.0 eV)的Rs變化程度較InGaAs(0.7 eV)變化程度大，Rsh變化相當(dāng). 而兩種子電池的Is1和Is2變化程度差異較大， InGaAs (1.0 eV)子電池的Is1和Is2分別增大了178 倍和155 倍，而InGaAs (0.7 eV)子電池的Is1和Is2僅增大為5.19 倍和5.76 倍. 兩種子電池的初始Is1和Is2相差s 較為明顯， InGaAs (1.0 eV)的Is1和Is2比InGaAs(0.7 eV)小兩個(gè)數(shù)量級， 這是由于相同溫度下樣品材料帶隙越寬， 熱載流子濃度越低， 暗電流越??；另外太陽電池的結(jié)構(gòu)和工藝對于反向飽和電流也有影響. 從Rs，Rsh，Is1和Is2四個(gè)擬合參數(shù)的變化上來看， InGaAs (1.0 eV)子電池的變化程度要大于InGaAs (0.7 eV)， 這說明InGaAs (1.0 eV)損傷程度較大. 結(jié)合各個(gè)參數(shù)的變化率， 可以看出Is1和Is2的變化更大， 這對應(yīng)于反向飽和電流的變化更加明顯. 經(jīng)1 MeV 電子輻照的InGaAs (1.0 eV)子電池的反向飽和電流(Is1+Is2)可以達(dá)到其Isc的1%， 而InGaAs (0.7 eV)子電池的反向飽和電流達(dá)到其Isc的6%， 這對于太陽電池的輸出能已構(gòu)成不可忽視的影響， 其損傷的物理機(jī)理結(jié)合退火恢復(fù)機(jī)制將在后文中進(jìn)一步解析.

表3 輻照前后InGaAs (1.0 eV)子電池Rs， Rsh，Is1 和Is2Table 3. Rs， Rsh， Is1 and Is2 of InGaAs (1.0 eV)sub-cells before and after electron irradiated.

表4 輻照前后InGaAs (0.7 eV)子電池的Rs，Rsh， Is1 和Is2Table 4. Rs， Rsh， Is1 and Is2 of InGaAs (0.7 eV)sub-cells before and after electron irradiated.

圖8 是兩種InGaAs 子電池不同溫度下退火不同時(shí)間暗特性曲線擬合所得Rs，Rsh，Is1和Is2的歸一化變化曲線圖. 可以看出兩種InGaAs 子電池各個(gè)暗特性擬合參數(shù)均有所恢復(fù)， 退火溫度越高，恢復(fù)速率越快， 且恢復(fù)速率隨著時(shí)間的延長逐漸減慢. 在退火60 min 后， 兩種子電池的性能參數(shù)變化不再明顯. 兩種子電池的Rs和Rsh恢復(fù)程度相近， InGaAs (1.0 eV)子電池的Rs和Rsh恢復(fù)程度較InGaAs (0.7 eV)子電池略大. 而兩種InGaAs子電池的Is1和Is2恢復(fù)程度差異較大， InGaAs(1.0 eV)子電池的Is1和Is2恢復(fù)程度遠(yuǎn)大于InGaAs(0.7 eV)子電池.

Rs主要取決于電池的體電阻， 與整體缺陷濃度有關(guān)， 可以用于衡量基區(qū)、發(fā)射區(qū)質(zhì)量.Rsh反應(yīng)太陽電池中的漏電流， 與結(jié)區(qū)缺陷濃度有關(guān)， 用于衡量結(jié)區(qū)質(zhì)量. 從樣品原始值上看， InGaAs(1.0 eV)子電池的Rs小于InGaAs (0.7 eV)子電池， 說明InGaAs (1.0 eV)子電池本征缺陷數(shù)量少于InGaAs (0.7 eV)； InGaAs (1.0 eV)Rsh大于InGaAs(0.7 eV)， 說明InGaAs (1.0 eV)的漏電流更小， 結(jié)區(qū)質(zhì)量更好. 在輻照過程中， 兩種子電池的Rs增大， 雖然變化比例不同， 但差值相當(dāng)， 這說明電子輻照引入的缺陷數(shù)量基本相當(dāng)； 兩種子電池的Rsh減小， 且兩者變化比例相當(dāng)， 說明損傷程度相近. 在退火過程中，Rs逐漸減小，Rsh逐漸增大， 這反映了電子輻照引入的缺陷逐漸減少， 漏電流減小. 在180 ℃退火180 min 后， 兩種子電池的Rs下降相當(dāng)， 而Rsh增加程度有差別， 這是由于在并聯(lián)電阻較大時(shí)， 漏電流較小， 考慮到誤差問題， 可以認(rèn)為漏電流恢復(fù)程度接近.Is1產(chǎn)生于耗盡層附近一個(gè)少子擴(kuò)散長度內(nèi)的載流子復(fù)合.Is2是耗盡層中雜質(zhì)或輻照中心作為復(fù)合中心引起的電流. 在輻照過程中， 兩種子電池的耗盡層和結(jié)區(qū)附近缺陷濃度升高， 復(fù)合概率增加，Is1和Is2均會(huì)增大； 在退火過程中， 兩種子電池的耗盡層和結(jié)區(qū)附近缺陷濃度下降， 載流子復(fù)合概率減小，Is1和Is2均會(huì)減小.InGaAs (1.0 eV)子電池的Is1和Is2變化程度遠(yuǎn)大于InGaAs (0.7 eV)子電池. 由于InGaAs (0.7 eV)子電池具有PIN 結(jié)構(gòu)， 它的結(jié)區(qū)較厚， 結(jié)區(qū)附近及結(jié)區(qū)內(nèi)部存在本征缺陷數(shù)量較多， 由輻照引入的缺陷濃度變化造成的影響將不再明顯.

圖8 兩種InGaAs 子電池退火不同時(shí)間擬合所得Rs， Rsh， Is1 和Is2 的變化曲線圖Fig. 8. Rs， Rsh， Is1 and Is2 curves of InGaAs sub-cells annealing at different temperatures.

3.3 激活能

本文研究的太陽電池?zé)嵬嘶鸺せ钅苁侵笌щ娏Ｗ虞椪找鸬膿p傷缺陷在恢復(fù)過程中所需的最小能量， 這一參數(shù)可以反映帶電粒子引起的輻射缺陷穩(wěn)定程度， 另一方面也可以表征不同太陽電池樣品輻射缺陷不同溫度下的恢復(fù)能力. 太陽電池的輸出短路電流密度Jsc與缺陷濃度N有關(guān). 本節(jié)建立Jsc與N的等效模型， 并以此模型計(jì)算兩種子電池的熱退火激活能Ea.

對于太陽電池Jsc有如下關(guān)系：

其中φ為入射光子的通量；α為太陽電池對入射光的吸收系數(shù)；W為0 偏條件下的空間電荷區(qū)寬度；L為少子擴(kuò)散長度. 其中φ取決于入射光譜，α與太陽電池材料有關(guān)，W與P 型材料和N 型材料的摻雜濃度有關(guān)， 對于同類太陽電池樣品， 三者均為固定常數(shù). 因此有：

其中，D為少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù)，τ為少數(shù)載流子壽命，φ與0 分別表示輻照前后狀態(tài).

太陽電池少數(shù)載流子壽命與復(fù)合中心NR有如下關(guān)系：

其中，ν表示少子熱運(yùn)動(dòng)速度；σ表示少數(shù)載流子俘獲截面積. 結(jié)合(5)式和(6)式可得：

其中Nφ為電子輻照引入的缺陷濃度，NRφ表示電子輻照后復(fù)合中心濃度，NR0表示未輻照的復(fù)合中心濃度.Nφ_anneal為退火后的缺陷濃度，NR_anneal表示退火后復(fù)合中心濃度，B為常數(shù). 兩種子電池在輻照及退火過程中的Jsc如表5 和表6 所列.

結(jié)合(7)式和(8)式， 將Nφ_anneal與Nφ作比值， 即得到(9)式：

表5 輻照及熱退火過程中InGaAs (1.0 eV)子電池Jsc 變化Table 5. Jsc of InGaAs (1.0 eV) sub-cell in irradiation and thermal annealing.

表6 輻照及熱退火過程中InGaAs (0.7 eV)子電池Jsc 變化Table 6. Jsc of InGaAs (0.7 eV) sub-cell in irradiation and thermal annealing.

(9)式即為N與Jsc的等效關(guān)系模型. 假設(shè)熱退火過程中Nφ_anneal滿足一次反應(yīng)動(dòng)力學(xué)， 即有：

結(jié)合(9)式， 對(10)式求解. 得到：

其中，α為缺陷濃度變化系數(shù)， 其隨著溫度的變化滿足阿倫尼烏斯公式， 即：

對表5 和表6 中Jsc按照(11)式進(jìn)行擬合， 即可得到不同退火溫度下的α值， 如表7 所列.

對(12)式兩側(cè)同時(shí)取對數(shù)， 整理后有：

將表7 中兩種子電池的α值按照(13)式的關(guān)系進(jìn)行擬合， 擬合結(jié)果如圖8 所示.

表7 不同退火溫度下InGaAs (1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)子電池缺陷濃度變化系數(shù)α 擬合值Table 7. Fitting value of the variation defect concentration coefficient(α) of InGaAs sub-cell at different annealing temperatures.

圖9 缺陷濃度變化系數(shù)對數(shù)ln(α)與溫度倒數(shù)(1/T)的關(guān)系曲線Fig. 9. Curve of logarithm of the defect concentration change coefficient (ln(α)) with reciprocal of temperature(1/T).

圖9 中擬合曲線的斜率與玻爾茲曼常數(shù)k的積的絕對值即為子電池的熱退火激活能Ea. 通過計(jì)算得到， InGaAs (1.0 eV)子電池?zé)嵬嘶鸺せ钅転?.38 eV， InGaAs (0.7 eV)子電池?zé)嵬嘶鸺せ钅転?.26 eV， 說明相同熱退火條件下InGaAs (1.0 eV)子電池缺陷穩(wěn)定性更強(qiáng)， 輸出性能恢復(fù)程度較小，這也是3.1 節(jié)光性能退火效應(yīng)結(jié)果中InGaAs(0.7 eV)子電池Isc，Voc，Pmax電性能恢復(fù)程度更大的根本原因.

4 結(jié) 論

本文對1 MeV 電子輻照后的InGaAs (1.0 eV)和InGaAs (0.7 eV)子電池進(jìn)行熱退火實(shí)驗(yàn). 光I-V測試表明在熱退火過程中Voc，Isc和Pmax隨著時(shí)間的延長逐漸恢復(fù)， 退火溫度越高， 恢復(fù)程度越大， 在退火60 min 后兩種子電池的Voc，Isc和Pmax恢復(fù)程度已達(dá)到退火180 min 恢復(fù)程度的85%以上. 并且相同退火條件下InGaAs (1.0 eV)子電池恢復(fù)程度小于InGaAs(0.7 eV)子電池. 通過對暗特性I-V雙指數(shù)模型擬合研究退火過程中Rs，Rsh，Is1和Is2在退火過程中的變化規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)Rs，Is1和Is2在退火過程中逐漸較小，Rsh逐漸增大，退火溫度越高， 變化程度越大. InGaAs (1.0 eV)子電池的Is1和Is2變化程度遠(yuǎn)大于InGaAs (0.7 eV)子電池. 在Jsc和N等效模型下， InGaAs (1.0 eV)和InGaAs (0.7 eV)子電池的Ea分別為0.38 和0.26 eV.