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强抗辐射漂移机制InP太阳电池的研究

2020-11-23阅读(418)

强抗辐射漂移机制InP太阳电池的研究

论文摘要

为了能够覆盖整个地球表面,通信卫星通常采用两种方式布置:一种是用三颗地球同步轨道卫星（35,700公里）,另一种是需要几十至几百颗的低轨道（700公里）卫星。前者的缺点是由于距离较远因而要求较大的信号功率以及存在较长的信号延迟,而后者则由于卫星数目巨大而费用昂贵。目前认为高度为3000公里的轨道为最佳位置,使得在卫星个数使用、信号发射功率要求以及信号时间延迟之间达到一种平衡。但是,在这个轨道高度上存在所谓van Allen辐射带,在这里即使是“抗辐射”的Si太阳电池也只能正常工作几天时间。因此,为了能使通信卫星在van Allen辐射带正常工作,必须要有一种强抗辐射并且具有较高重量比功率的太阳电池。目前国内外用于航天器上的太阳电池主要为Si和GaAs太阳电池,但这两种材料的抗辐射能力较差,其光电转换效率由于高空辐射衰减很快,因而寿命短,稳定性差,不能满足用于van Allen强辐射带的空间应用需要。InP材料作为一种应用越来越广的半导体材料,除了具有良好的电特性之外,它具有非常突出的抗辐射能力,是下一代航天器用太阳电池的首选材料。通常的太阳电池收集的少数载流子要么是产生于p-n结,要么是少数载流子距离结的距离必须小于其扩散长度。本文比较分析了太阳电池工作的两种可能工作机制:扩散机制和漂移机制。由于漂移机制受辐射损伤影响较小,因而在本研究中实际的工作即是围绕该机制展开。漂移场的形成是通过MBE技术,在结的两侧都采用梯度掺杂（即双梯度掺杂）,从而在整个有源层都建立起一个强的（漂移）电场,有效地利用载流子在电场作用下的漂移作用收集少数载流子,使得总内量子效率得以提高。由于双梯度掺杂电池利用的是漂移场收集少数载流子,因而不依赖于其扩散长度以及距结的距离。特别是在强辐射环境中少数载流子的扩散长度会因材料的辐射损伤而下降时,这种设计更显示出其优越性。本工作主要进行了如下几个方面的研究:1.根据太阳电池的太空应用需强抗辐射和高重量比功率的要求,对太阳电池结构进行设计。采用与众不同的通过在p区和n区都采用梯度掺杂这样一个所谓双梯度掺杂,在整个有源层获得高达104 V /cm的漂移电场。使得该太阳电池不同于

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 中国能源和光伏产业现状
  • 1.3 太阳辐射和太阳光谱
  • 1.4 几种重要材料的太阳电池
  • 1.5 半导体中的光吸收特性
  • 1.6 太阳电池的理想转换效率及工作机理
  • 1.7 太阳电池的I-V 特性
  • 1.8 理想单结太阳电池的效率极限及其影响机制
  • 1.9 航天器及其需求的太阳电池
  • 1.10 半导体材料中的基本辐射效应
  • 1.11 本论文的目的和主要研究内容
  • 第2章 InP/InP和InP/GaP的外延生长及其太阳电池的制备
  • 2.1 引言
  • 2.2 MBE 技术
  • 2.3 LP-MBE 方法
  • 2.4 反射高能电子衍射（RHEED）及其表征
  • 2.5 InP 和GaP 的结构特性
  • 2.5.1 InP 的结构特性
  • 2.5.2 GaP 的结构特性和光学特性
  • 2.6 研究在GaP 衬底上外延InP 的意义
  • 2.7 外延InP 及其太阳电池样品的制备条件
  • 2.7.1 本实验所用MBE 系统
  • 2.7.2 LP-MBE 方法对InP 表面形态的改善
  • 2.7.3 ECV（电化学电容-电压）测量
  • 2.8 本章小结
  • 第3章 InP 及其太阳电池的抗辐射特性研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 InP的能带结构和光学吸收
  • 3.3 InP的抗辐射特性研究
  • 3.3.1 InP等Ⅲ-Ⅴ族材料的辐射损伤与Si材料的区别
  • 3.3.2 InP辐射缺陷的热退火
  • 3.3.3 InP辐射缺陷的注入增强退火
  • 3.4 InP太阳电池的辅照效应
  • 3.4.1 InP太阳电池的辐射退火现象
  • 3.4.2 InP太阳电池的室温退火现象
  • 3.4.3 InP太阳电池的少数载流子注入退火现象
  • 3.4.4 InP太阳电池工作时的强抗辐射现象
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 InP 漂移机制太阳电池的理论设计与结构优化
  • 4.1 引言
  • 4.2 扩散机制的太阳电池
  • 4.3 漂移机制的太阳电池
  • 4.4 ADEPT 设计软件
  • 4.5 漂移机制太阳电池的优化结构与设计思路
  • 4.5.1 p-i-n 结构
  • 4.5.2 单梯度掺杂漂移机制结构
  • 4.5.3 双梯度掺杂漂移机制结构
  • 4.6 设计器件的模拟结果
  • 4.6.1 设计器件的伏-安特性
  • 4.6.2 设计器件的其他特性
  • 4.7 InP/GaP 太阳电池器件结构设计
  • 4.8 本章小结
  • 第5章 InP 漂移机制太阳电池及其特性分析
  • 5.1 引言
  • 5.2 载流子分布的ECV 测试及分析
  • 5.3 I-V 特性测试及分析
  • 5.4 光谱响应测试及分析
  • 5.5 抗辐射性能测试及分析
  • 5.6 与InP 非漂移机制太阳电池的比照
  • 5.7 本章小结
  • 第6章 InP/GaP 漂移机制太阳电池
  • 6.1 引言
  • 6.2 InP/GaP 失配界面的电特性研究
  • 6.3 InP/GaP 漂移机制太阳电池的光谱响应
  • 6.4 InP/GaP 漂移机制太阳电池的抗辐射性能测试
  • 6.5 InP/GaP 漂移机制太阳电池的伏安特性
  • 6.6 本章小结
  • 总结
  • 参考文献
  • 附录
  • 攻读博士学位期间所发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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