利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件,詳細(xì)分析了低能（1.8 keV）質(zhì)子輻照劑量對低軌道衛(wèi)星用高效插指背結(jié)背接觸（IBC）單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響。通過轉(zhuǎn)換效率及其退化特點(diǎn)的對比,得到質(zhì)子輻照劑量與復(fù)合中心密度、陷阱密度之間的對應(yīng)關(guān)系。在不同的質(zhì)子輻照劑量情況下,深入分析了前表面場（FSF）結(jié)構(gòu)和前表面浮空發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)（FFE）對太陽電池短路電流密度、開路電壓及轉(zhuǎn)換效率的影響,為質(zhì)子輻照條件下太陽電池前表面結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。仿真結(jié)果表明:當(dāng)質(zhì)子輻照劑量小于1×10⁹ cm^-2時(shí),隨著質(zhì)子輻照劑量的增大,太陽電池轉(zhuǎn)換效率幾乎不變。當(dāng)質(zhì)子輻照劑量一定時(shí),存在最優(yōu)的FSF和FFE的摻雜濃度,使得太陽電池轉(zhuǎn)換效率最高。在質(zhì)子輻照劑量為0 cm^-2和1×10¹⁰ cm^-2時(shí),FFE結(jié)構(gòu)對應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)換效率略低于FSF結(jié)構(gòu)的情況。在質(zhì)子輻照劑量為1×10¹¹ cm^-2時(shí),FFE結(jié)構(gòu)對IBC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的改善效果明顯優(yōu)于FSF結(jié)構(gòu)的情況。 

【文章來源】：人工晶體學(xué)報(bào). 2020,49(10)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

質(zhì)子輻照劑量、復(fù)合中心密度、陷阱密度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響

圖1為IBC太陽電池的單元結(jié)構(gòu)剖面圖,圖1(a)為采用前表面場情況,圖1(b)為采用浮空發(fā)射區(qū)情況。相比于地面應(yīng)用的高效IBC太陽電池,其襯底電阻率和襯底厚度的選擇不同。由于在質(zhì)子輻照環(huán)境中,隨著質(zhì)子輻照劑量的增大,位移損傷導(dǎo)致電池內(nèi)陷阱和復(fù)合中心密度增大[6-7]。因此,為降低襯底中光生載流子在輸運(yùn)過程中的復(fù)合損耗,襯底厚度在滿足長波光吸收及衛(wèi)星發(fā)射時(shí)機(jī)械應(yīng)力要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能的減薄。由于太陽電池陣表面極易俘獲大量低能帶電粒子,使太陽電池陣表面產(chǎn)生高達(dá)幾千伏的靜電壓,如果靜電場放電,則可能造成太陽電池?fù)舸?或干擾星上的遙測系統(tǒng)[8]。因此,為提高太陽電池的可靠性,需要適當(dāng)提高電池襯底電阻率。太陽電池結(jié)構(gòu)的具體仿真參數(shù)如表1所示。表1 太陽電池結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)[6,9-10]Table 1 Simulation parameters of solar cell structure[6,9-10] 結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱 值 結(jié)構(gòu)參數(shù)名稱 值 襯底厚度 100 μm 單元電池寬度 1 000 μm 襯底電阻率 4 Ω·cm 發(fā)射區(qū)和背表面場的表面濃度 5×1019/cm3,雜質(zhì)高斯分布 襯底少子壽命 1 ms 發(fā)射區(qū)和背表面場的擴(kuò)散深度 1 μm 襯底晶向 <100> 背表面場、背表面場-發(fā)射區(qū)間隔及發(fā)射區(qū)寬度的比例 2∶1∶7 減反射膜 Si3 N4,2.05/79 nm 前表面結(jié)構(gòu)摻雜濃度 變量,變化范圍為1×1017～5×1019/cm3,雜質(zhì)均勻分布 減反射膜-硅界面復(fù)合速率 100 cm/s 前表面結(jié)構(gòu)厚度 0.2 μm

表2 無前表面結(jié)構(gòu)情況下的太陽電池電學(xué)性能Table 2 Electrical performance of solar cells without front surface structure Proton radiation dose/cm-2 JSC/(mA·cm-2) VOC/V Eff/% 0 39.325 0.6211 19.49 1×1010 37.562 0.6132 18.30 1×1011 24.138 0.5644 10.74由圖4(a)開路電壓曲線(VOC)可見:對于FSF結(jié)構(gòu),不同質(zhì)子輻照劑量下太陽電池VOC均呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)。對于FFE結(jié)構(gòu),不同質(zhì)子輻照條件下,峰值VOC對應(yīng)的FFE結(jié)構(gòu)摻雜濃度略低于FSF情況。在不同的輻照條件下,FSF結(jié)構(gòu)和FFE結(jié)構(gòu)可在很大程度改善IBC太陽電池VOC,且摻雜濃度經(jīng)優(yōu)化的FSF結(jié)構(gòu)在改善太陽電池VOC方面的效果更好(見表2)。圖4(b)為FFE結(jié)構(gòu)與FSF結(jié)構(gòu)對應(yīng)的VOC差值(△VOC),隨著質(zhì)子輻照劑量的增大,△VOC為負(fù)值所對應(yīng)的前表面結(jié)構(gòu)的摻雜濃度范圍增大,表明質(zhì)子輻照劑量越高,FSF結(jié)構(gòu)在改善電池VOC方面的優(yōu)勢越明顯。


本文編號：3425339