【摘要】：多結(jié)電池是航天器電源系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換的核心器件。隨著新材料(AlGaInP,InGaAs等)、新結(jié)構(gòu)(柔性電池、倒置贗形結(jié)構(gòu))、新工藝(倒置贗形工藝、量子點(diǎn)電池工藝等)的開發(fā)應(yīng)用,多結(jié)電池中出現(xiàn)了一系列新的現(xiàn)象,如熒光耦合和光調(diào)制效應(yīng)會顯著地影響多結(jié)電池的性能,也為新型電池設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化及其性能測試表征提出新的問題;同時(shí),多結(jié)電池在空間寬能譜帶電粒子輻射環(huán)境應(yīng)用中,子電池內(nèi)部及不同子電池之間輻射損傷不均勻性成為電池抗輻射優(yōu)化的重要瓶頸。本文以新型多結(jié)III-V電池及其子電池和組成材料為研究對象,采用先進(jìn)的測試手段、半導(dǎo)體器件物理模型和多結(jié)電池電路模型等仿真分析方法,系統(tǒng)研究了多結(jié)電池中的熒光耦合和光調(diào)制效應(yīng)及輻射影響機(jī)制,深入研究了粒子輻射對電池非均勻損傷行為與機(jī)理,建立了非均勻輻射損傷的等效評價(jià)方法,實(shí)現(xiàn)了新型抗輻射多結(jié)電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明,GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池內(nèi)部各子電池之間存在著熒光耦合效應(yīng),主要體現(xiàn)在EQE(External Quantum Efficiency)測量時(shí)特定波段出現(xiàn)的“偽信號”現(xiàn)象。熒光耦合效應(yīng)的本質(zhì)是具有高內(nèi)熒光效率子電池的輻射復(fù)合現(xiàn)象,其中多結(jié)電池測量時(shí)偏置光強(qiáng)度、二維不均勻性和結(jié)構(gòu)參數(shù)都對熒光耦合效應(yīng)產(chǎn)生影響。建立包含受控電流源的電路模型用于描述熒光耦合現(xiàn)象,其核心參數(shù)受控因子α決定于電池的輻射復(fù)合行為。研究發(fā)現(xiàn),熒光耦合效應(yīng)中的光致發(fā)光現(xiàn)象及相關(guān)光子循環(huán)過程,會引起發(fā)光子電池開路電壓增加,下方子電池短路電流增大。經(jīng)1×10~(15) cm~-22 1 MeV電子輻照后,GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池載流子復(fù)合率增加,熒光發(fā)射減弱,光子循環(huán)作用減弱,其Ge子電池受控電流源的受控因子α從0.51下降到0.04,EQE“偽信號”消失�；诙嘟Y(jié)電池?zé)晒怦詈犀F(xiàn)象,揭示出在設(shè)計(jì)多結(jié)電池的DBR結(jié)構(gòu)時(shí),需要合理選擇中心反射波長,協(xié)調(diào)DBR上層電池增益和下層電池?fù)p失達(dá)到電流匹配的效果。多結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換行為會因入射光參數(shù)變化而改變,表現(xiàn)出顯著的調(diào)制效應(yīng)。以新型AlGaInP電池為對象,發(fā)現(xiàn)EQE會隨著光強(qiáng)增加呈現(xiàn)出“緩增—快速增加—飽和”的變化規(guī)律,其本質(zhì)是由于增加的過剩載流子對電池中陷阱的填充效應(yīng)。利用50 keV質(zhì)子輻照AlGaInP電池,材料中的缺陷濃度大幅增加,少子擴(kuò)散長度下降,光調(diào)制效應(yīng)減弱;在測量EQE時(shí),偏置光導(dǎo)致空間電荷區(qū)的縮小,進(jìn)一步弱化了光調(diào)制效應(yīng)。針對三結(jié)電池,入射光譜變化會顯著改變多結(jié)電池的各子電池間的電流匹配以及電源-負(fù)載關(guān)系,導(dǎo)致多結(jié)電池輸出電性能的變化。當(dāng)電池受到帶電粒子輻照時(shí),弱光條件對電池的輻照損傷和退化有放大效應(yīng)�；诙嘟Y(jié)電池中的光調(diào)制作用提出了采用子電池間的功率匹配方案代替光譜匹配和晶格匹配方案開展多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)提出了利用粒子輻射和偏置光消除電池?zé)晒怦詈闲?yīng)從而獲得標(biāo)準(zhǔn)量子效率的方法。低能質(zhì)子在多結(jié)電池內(nèi)造成非均勻的損傷,以G型、B型和M型三種類型的三結(jié)砷化鎵太陽電池為對象,利用能量在50~170 keV范圍的質(zhì)子進(jìn)行輻照試驗(yàn),使得質(zhì)子射程在電池的不同功能區(qū)域,研究輻照非均勻損傷造成多結(jié)電池電性能退化規(guī)律及其與均勻損傷條件下的差異;以此為基礎(chǔ),提出了非均勻損傷區(qū)的“缺陷帶”假設(shè),采用有限差分方法建立了太陽電池非均勻損傷數(shù)學(xué)模型,揭示出電池發(fā)射區(qū)損傷主要造成電流退化、而結(jié)區(qū)損傷則造成開路電壓顯著下降的規(guī)律,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致;仿真和試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)揭示出非均勻損傷缺陷導(dǎo)致的載流子壽命和遷移率下降、特別是結(jié)區(qū)級聯(lián)缺陷的復(fù)合行為,是導(dǎo)致電池并聯(lián)電阻下降和電池二極管理想因子n值增加的主要機(jī)制。以多結(jié)電池光電耦合效應(yīng)和非均勻損傷機(jī)理為基礎(chǔ),針對中軌道帶電粒子寬能譜強(qiáng)輻射環(huán)境及其造成的三結(jié)電池非均勻損傷情況,建立了多結(jié)電池電性能退化評價(jià)和抗輻照結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先通過計(jì)算帶電粒子在玻璃蓋片中的輸運(yùn)行為獲得在軌條件下玻璃蓋片后的帶電粒子能譜,然后確定在此粒子譜作用下多結(jié)電池材料內(nèi)的缺陷分布函數(shù);同時(shí),基于輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得多結(jié)電池中的少子壽命損傷參數(shù)k’σv和遷移率衰減參數(shù)Kμ’;最后,利用上述擬合結(jié)果計(jì)算單結(jié)電池和多結(jié)電池在非均勻損傷模式下的電性能退化曲線�；谏鲜鲅芯�,提出了一種多結(jié)III-V太陽電池在空間寬能譜粒子輻射條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,并針對不同服役周期下10000 km高度軌道衛(wèi)星用剛性電池和20000km高度軌道衛(wèi)星用柔性電池的抗輻射需求進(jìn)行了多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

失稍許電流的基礎(chǔ)上提高開路電壓，從而提高總的隨后發(fā)展出 GaAs/Ge 疊層電池，隨著結(jié)數(shù)的增大，熱損失下降。在現(xiàn)階段，提高多結(jié)電池的結(jié)數(shù)依然方法。圖 1-1 為細(xì)致平衡極限條件下[17]，在 1000X，當(dāng)結(jié)數(shù)超過 4 結(jié)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超過 50%的理論效III-V 電池的實(shí)驗(yàn)室研究樣品及其性能的報(bào)道[29, 30]。ional Renewable Energy Laboratory）發(fā)表的一個(gè)研究長和轉(zhuǎn)移鍵合技術(shù)獲得圖 1-2 (a)所示結(jié)構(gòu)的六結(jié)電池率譜可知各子電池的短路電流大致相等。在沒有減譜下效率可以達(dá)到 24%[31]，在增加減反膜和聚光條有望突破 50%�？梢杂卸喾N結(jié)構(gòu)，包括正向匹配、正向失配、反向失三端電池[34, 35]、機(jī)械堆疊四端電池[36]、分光四端電池光鏡[38]、背反射層[39]、布拉格反射鏡[40]、量子點(diǎn)[39發(fā)展呈現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性。但是無論何種結(jié)構(gòu)，在電池都遵循相同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(a) (b)圖 1-2 NREL 設(shè)計(jì)的高效六結(jié)太陽電池[31]Fig. 1-2 Six-junction solar cells from NREL[31](a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)各子電池的量子效率譜 多結(jié)太陽電池一般性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則過增大光譜吸收范圍和降低熱損耗，多結(jié)化設(shè)計(jì)可以有效提高電效率。為了保證高轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)多結(jié) III-V 電池需要考慮兩個(gè)即電流匹配和晶格匹配。 1-3 為半導(dǎo)體的晶格常數(shù)-帶隙圖，可以反映出電流匹配和晶格系和矛盾。電流匹配是指各子電池的短路電流大致相等，這樣可熱損耗。最簡單的模型為無限厚子電池模型，即各子電池能夠充于其帶隙的太陽光，對能量低于其帶隙部分的太陽光完全透過。第 i 個(gè)子電池的短路電流為式（1-1），其中 i=1 代表最上方的子,( )diEgsc iEgI q （

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2728892