低能质子和电子辐照GaAs/Ge太阳电池性能演化及损伤机理

论文摘要

本文通过空间辐射环境地面模拟试验,对航天器应用的GaAs/Ge太阳电池在质子、电子及其综合辐照作用下电性能的演化规律及损伤机理进行了研究。采用了单因素质子、单因素电子、先质子后电子、先电子后质子以及质子和电子同时辐照五种辐照方式。质子与电子的能量选为50～170keV,电子注量达到1×1016e/cm2,质子照注量达到3×1012p/cm2。通过伏安特性、光谱响应、光致发光光谱、深能级瞬态谱、光学反射光谱及霍尔效应等测试手段揭示了质子、电子单因素和综合因素辐照条件下GaAs/Ge太阳电池的性能演化规律,分析了辐照导致GaAs/Ge太阳电池短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、最大功率（Pm）和填充因子（FF）等特性参数退化的机理。质子辐照后I-V测试分析结果表明,小于200keV质子辐照能量相同时,随辐照注量的增加,GaAs/Ge太阳电池的Isc、Voc、Pm和FF等特性参数降低。辐照注量相同时,质子能量越高,电池性能衰降程度越大。质子辐照后GaAs/Ge太阳电池的量子效率随辐照能量和注量增大而降低;能量较低时呈现短波效应,而随着能量增高,引起短波效应的同时出现长波效应。随着辐照能量和注量的增加,GaAs/Ge太阳电池光致发光峰的峰高降低,半峰宽变宽,峰位右移。质子辐照在GaAs/Ge太阳电池的p区、结区和n区分别引入了高密度的深能级缺陷,缺陷的能级位置随辐照能量和注量的不同而变化。在所试验的GaAs/Ge太阳电池中主要产生了Ec-0.24eV、Ec-0.33eV、Ec-0.38eV、Ec-0.52eV、Ec-0.72eV和Ec-0.75eV六个深能级。原位I-V测试分析结果表明,小于200keV的电子辐照能使GaAs/Ge太阳电池的性能参数降低。电子辐照能量相同时,电池的Isc、Voc、Pm和FF等性能参数均随辐照注量的增加而降低。辐照注量相同时,电池性能随辐照能量增高而下降。能量小于200keV的电子辐照对GaAs/Ge太阳电池引起的性能衰降,可以在室温放置过程中逐步得到恢复。不同能量与注量低能电子辐照后,GaAs/Ge太阳电池的量子效率有所减小,光学反射率有所升高,但尚未发现深能级缺陷形成。低能质子与电子顺序辐照和同时辐照试验结果表明,同时辐照比顺序辐照更能使GaAs/Ge太阳电池的电性能降低。顺序辐照时,低能质子对电池性能退化起主要作用。质子与电子同时辐照时,GaAs/Ge太阳电池量子效率衰降最严重,其次是电子和质子的顺序辐照。质子与电子综合辐照对GaAs/Ge太阳电池性能的影响具有协合效应。GaAs/Ge太阳电池综合辐照前后PL光谱发生变化,GaAs特征峰强度经综合辐照后明显降低,半峰宽有少许增宽,峰位发生轻微红移。综合辐照下,量子效率下降的幅度依次是:质子与电子同时辐照>质子和电子顺序辐照>单独质子辐照>>单独电子辐照。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 太阳电池的物理模型及其载流子的运动规律
• 1.2.1 太阳电池的物理模型及其工作原理
• 1.2.2 太阳电池的直流模型
• 1.2.3 载流子的运动规律
• 1.2.4 内建电场的特性
• 1.3 空间太阳电池的带电粒子辐照环境
• 1.3.1 等离子体环境
• 1.3.2 电离辐射环境
• 1.4 空间用太阳电池的发展及应用
• 1.4.1 太阳电池的发展
• 1.4.2 GaAs 太阳电池的空间应用
• 1.5 空间GaAs 太阳电池的辐照损伤研究现状
• 1.5.1 高能粒子辐照对GaAs 太阳电池电性能的影响
• 1.5.2 GaAs 太阳电池辐照缺陷分析
• 1.5.3 GaAs 太阳电池空间带电粒子辐照损伤效应表征方法
• 1.6 本文研究目的和主要内容
• 第2章 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 原位测量装置的设计
• 2.2.2 空间综合辐照模拟设备
• 2.3 试验参数的确定
• 2.3.1 质子和电子辐照能量的选择
• 2.3.2 质子和电子辐照通量的确定
• 2.3.3 质子和电子辐照注量的确定
• 2.3.4 质子和电子辐照试验方案
• 2.4 GaAs/Ge 太阳电池电性能测试
• 2.5 GaAs/Ge 太阳电池辐照效应微观分析方法
• 2.5.1 光谱响应测试（SR）
• 2.5.2 深能级瞬态谱测试（DLTS）
• 2.5.3 光致发光光谱测试（PL）
• 2.5.4 光学反射谱测试
• 2.5.5 霍耳效应测试
• 第3章 质子辐照GaAs/Ge 太阳电池性能演化表征
• 3.1 质子辐照对I-V 特性曲线的影响
• 3.2 质子辐照对电性能参数的影响
• 3.2.1 短路电流Isc 的变化
• 3.2.2 开路电压Voc 的变化
• 3.2.3 最大输出功率Pm 的变化
• 3.2.4 填充因子FF 的变化
• 3.3 低能质子辐照GaAs/Ge 电池的临界注量与相对损伤系数
• 3.4 质子辐照GaAs/Ge 太阳电池电性能退化唯象学表达式
• 3.5 本章小结
• 第4章 质子辐照对GaAs/Ge 太阳电池电性能影响机理分析
• 4.1 SRIM 模拟分析
• 4.2 深能级瞬态谱分析
• 4.3 光谱响应分析
• 4.4 光致发光光谱分析
• 4.5 光学反射光谱分析
• 4.6 低能质子辐照GaAs/Ge 太阳电池损伤机制分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 电子辐照GaAs/Ge 太阳电池性能演化表征与机理
• 5.1 电子辐照对原位测试I-V 特性的影响
• 5.2 电子辐照对GaAs/Ge 太阳电池电性能参数的影响
• 5.2.1 短路电流的变化
• 5.2.2 开路电压的变化
• 5.2.3 最大输出功率的变化
• 5.2.4 填充因子的变化
• 5.3 电子辐照后GaAs/Ge 太阳电池性能室温退火效应
• 5.4 低能电子辐照对GaAs/Ge 太阳电池电性能影响机理分析
• 5.4.1 CASINO 程序模拟分析
• 5.4.2 光谱响应分析
• 5.4.3 光学反射光谱分析
• 5.4.4 光致发光光谱分析
• 5.4.5 深能级瞬态谱分析
• 5.4.6 低能电子辐照对GaAs/Ge 太阳电池的影响机制
• 5.5 本章小结
• 第6章 质子和电子综合辐照GaAs/Ge 太阳电池性能演化表征与机理
• 6.1 综合辐照对GaAs/Ge 太阳电池I-V 曲线的影响
• 6.1.1 先质子后电子辐照
• 6.1.2 先电子后质子辐照
• 6.1.3 质子和电子同时辐照
• 6.2 综合辐照对GaAs/Ge 太阳电池不同电性能参数的影响
• 6.3 综合辐照对GaAs/Ge 太阳电池电性能参数的影响对比
• 6.4 综合辐照GaAs/Ge 太阳电池电性能退化唯象学表达式
• 6.5 质子与电子综合辐照对GaAs/Ge 太阳电池损伤机理分析
• 6.5.1 光谱响应分析
• 6.5.2 光致发光光谱分析
• 6.5.3 低能质子和电子综合辐照GaAs/Ge 太阳电池损伤机制
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历