刘东宽 方美华 赵鹏飞 周丹晴 周策 王丽 李彦龙
摘 要：GaAs太阳电池是目前大部分航天器的主要动力来源，因此有必要对其在空间辐射环境条件下的性能衰减进行评估，以优化电池的辐射防护措施，保证电池在空间应用的高可靠和长寿命的要求。本文在GaAs太阳电池辐射损伤原理的基础上，分别研究了等效注量衰减、非电离能损衰减和缺陷损伤三种评估方法的物理机制、建模思路和模型，并对三种方法进行了对比分析。
关键词：GaAs太阳电池 辐射损伤 性能衰减评估
中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0016-04
Abstract：GaAs solar cells are main power source for most of the spacecrafts. However， solar cells will suffer damage from space radiation and their performance degrades over time. So it is essential to assess the degradation for GaAs solar cells in space missions. In this paper， firstly three degradation methods including equivalent flux method， non-ionization energy loss method and defect model method for GaAs solar cells are analyzed. And then， the advantage and disadvantage of the methods are summarized.
Key Words：GaAs solar cells； Radiation damage； Degradation methods
GaAs太陽电池是目前空间应用最为广泛的一种太阳电池，具有光电转化效率高、抗辐射性能好、温度效应好、质量轻等优点。是航天器在轨正常运行的能源保证，而空间恶劣的粒子辐射环境会导致太阳电池电性能衰降，影响航天任务的顺利完成。由于太空实验具有操作难，成本高等特点，对空间GaAs太阳电池的地面评估实验就显得尤为重要。研究人员结合太阳电池衰减的特性和原理，建立了衰减评估方法，从而有效地对航天器的寿命进行评估，对现今航天器的在轨行为预测具有重要意义。
1 衰减原理和评估方法
1.1 GaAs太阳电池衰减原理及衰减表征
国内外研究人员针对GaAs太阳电池空间辐射条件下性能的衰减[1-3]开展了大量的研究，以地面等效实验测试和计算机模拟[4、5]为主，入射粒子多以1MeV能量的电子[6]和10MeV能量的质子[7]作为等效粒子源，从而研究在不同辐照注量条件下，电池性能的退化。太阳能电池本质上是由半导体材料制作的P-N结，宇宙空间中的高能带电粒子进入太阳电池材料内部后，与材料内部的原子相互作用将能量传递给晶格原子，使电池内部产生大量的空位原子和间隙原子等缺陷（形成所谓的Frenkel缺陷）。这些缺陷在导带和价带之间形成新的缺陷能级，深能级的缺陷可以作为复合中心，致使太阳能电池中的少数载流子寿命降低，扩散长度减少，光电转换效率降低，从而导致宏观性能参数包括短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax、填充因子FF[6-8]和微观材料参数包括深能级、缺陷密度[9、10]等的衰降，最终导致电池性能下降，影响航天器的正常运行。
1.2 GaAs太阳电池衰减评估方法
研究人员针对GaAs太阳电池半导体P-N结的特点，从评估方法所关联的参数和相关物理模型出发，分类出目前主要的衰减评估模型，包括等效注量评估方法[4、8]、非电离能损（位移损伤）评估方法[4、11]和缺陷损伤评估方法[12]三种。
（1）等效注量评估方法。
等效注量衰减分析法是由美国喷气动力实验室（JPL-Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology）H.Y.Tada等人提出的，是国际上用于预测空间太阳电池在轨服役行为的主要方法。等效注量评估方法在工程应用上较为普遍和成功，是将入射粒子的注量与电池的电性能参数短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax通过如下关系模型直接关联：
（1）
其中Φ为辐射注量，X0和X分别表示辐照前后表征电池性能的参数；C和Φ0为两个拟合参数，其中C是无量纲参数，能够反映电池电学性能退化的快慢程度；Φ0代表临界注量（单位：个数/cm2），当太阳电池辐射注量小于该拟合值Φ0时，电池性能受辐射注量的影响不大；大于该值时，辐射注量对电性能有明显的影响。
（2）非电离能损（位移能损）评估方法。
位移损伤剂量法提出于20世纪90年代，由于电离和位移是带电粒子和物质作用的两种基本形式，产生的能量损失为电离能量损失和位移能量损失之和。其中单个粒子在材料中沉积下来用于产生位移缺陷的那部分能量称非电离能量损失（Nonionizing Energy Loss，NIEL）。位移损伤效应一般也称为非电离能量损失效应，是由大量粒子进入半导体器件内部通过弹性碰撞作用，导致材料晶格原子移位，其损伤的动力学方程与注量衰减方程形式即方程（1）一致，可表示为：
根据太阳电池辐射条件下的衰减物理原理可知，太阳电池的衰减源于辐射在电池内产生的缺陷导致在电池禁带内产生深能级，这些深能级可作为俘获中心，俘获多数载流子，降低少数载流子寿命，从而导致电池各项性能的衰减[13]。
①深能级缺陷降低少数载流子寿命。endprint
外在辐射条件下，导致缺陷的产生，影响Shockley-Read-Hall复合项：
深能级缺陷通过降低少数载流子的寿命导致电池的Isc、Voc、Pmax和FF等电性能参数都有显著衰减[12]。
②深能级俘获多数载流子。
辐射导致的深能级缺陷能够俘获多数载流子，导致多数载流子的浓度下降，即产生辐射导致多数载流子的去除效应[14]。多数载流子去除与少数载流子寿命下降类似，都与缺陷浓度和俘获截面有关，表达式为：
其中NA和ND为多数载流子浓度，ni为本征载流子浓度。从式（9）中可以看出，多数载流子浓度决定了内建电场的大小和分布。从太阳电池的光生伏特效应原理出发，太阳光在电池中产生的载流子通过P-N结的内建电场分离，因此，内建电场变化后导致开路电压的明显变化[15]。
③辐射导致的深能级缺陷。
半导体材料中的深能级缺陷主要由深能级瞬态谱仪探测得到，并与入射粒子种类、温度条件、材料等有关[16-17]。在电子和质子辐照过程产生的各种缺陷中，能作为俘获中心的缺陷类型有限[16]。俘获截面是一个只与缺陷类型有关的量，而与入射粒子的通量无关，1MeV电子在GaAs中所产生的电子和空穴不同陷阱的俘获截面如表1所示[16-19]，主要包括电子E1～E4和空穴H1～H4。
根据以上的物理模型和数据，借助物理设计软件，如TCAD[12]、COMSOL[20]、SILVACO? Virtual Wafer Fabrication Software[18-19]等，研究工作者已经开展了相关的研究工作，获得了太阳电池在辐照条件下的电性能输出。
1.3 不同分析方法对比浅析
根据太阳电池的损伤原理，可将2.2节所述的评估方法对比如图1所示。从图中可以看出三种评估方法的思路。
等效注量方法在工程上应用最为广泛，由于大部分的卫星任务都位于地球轨道，受到地磁场捕获辐射带粒子辐照，研究表明，在地球轨道运行的卫星太阳电池在空间运行保证可靠性的等效地面实验条件是1MeV电子照射1015/cm2衰减<20%。而实际上，空间辐射环境不仅有电子环境、还有质子以及深空中的太阳粒子和宇宙线粒子，且都具有特定的能谱范围、入射方向等，因此不同的粒子很难从入射粒子注量角度进行等效；且不同材料和结构的相对损伤系数不同，因此，对于每种太阳电池而言都需要大量的实验作为支撑，耗费大量的人力和财力；并且在很高的注量下，由于GaAs电池本身的退火效应等而影响等效注量法的适用性。因此，等效注量方法的适应性受到粒子环境和材料结构的限制。
非电离能损方法将电池衰减与物理量进行关联，即通过由辐照粒子在材料中产生的非电离能损值的大小来衡量电性能的衰减，原则上，通过非电离能损值将不同粒子对电池造成的损伤进行关联，可适用于复杂的辐射环境条件，从而大大减少了实验数据要求。非电离能损值一般是通过粒子与物质相互作用计算模型计算得到，通过非电离能损值的计算，还可以评估电池不同结构和材料的辐射损伤敏感性。因此，相比等效注量法，该方法具有一定的物理意义，适用性更强。这种方法依赖于辐射导致材料晶格缺陷与非电离能损值成正相关的情况，若粒子本身对材料产生了掺杂或者引入了杂质粒子等情况，则无法预计。
注量衰减分析和非电离能损衰减分析方法均为宏观的半经验分析方法，在工程上应用已较为普遍和成熟，模型的建立欠缺物理机理的内涵，而根据太阳电池辐射损伤的机理发现，缺陷深能级的产生是电池衰减的根本原因。这种方法强烈依赖于辐射所产生的深能级种类、数量、分布等，而深能级的特性与辐射粒子能量、种类、通量，与电池的材料、结构、温度条件等都相关，因此虽然这种方法具备研究的物理意义和内涵，但是模型所需要的输入微观参数多且可变性强，目前更适合于理论研究。
2 结语
本文以空间GaAs太阳电池为研究对象，分析了三种衰减评估方法的物理机理和机制、评估模型和相关参数，对比三种方法，等效注量衰减和非电离能损衰减评估方法在工程应用上已经应用较为成熟，工程应用可靠，但是两种方法均具有一定的适用范围。而缺陷衰减分析方法是从物理机理和模型的角度出发，但是强烈依赖实验条件和参数，目前仅适合于理论研究。
本文仅仅是对三种方法进行了理论和模型分析，下一步，希望针对具体的GaAs电池的辐射衰减展开模型计算对比，进行实验测试对比研究。
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