ODR反射器结构对InGaAs电池性能增益的研究.pdf
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1、2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期:2023-01-06作者简介:刘丽蕊(1982),女,河北省人,硕士研究生,主要研究方向为高效太阳电池。ODR反射器结构对InGaAs电池性能增益的研究刘丽蕊1,2,李晓云1,郭宏亮2,姚立勇2(1.天津工业大学,天津 300387;2.中国电子科技集团公司 第十八研究所,天津 300384)摘要:光谱匹配更良好的反向三结 InGaP/GaAs/InGaAs太阳电池是进一步提高空间用太阳电池性能的重要技术方案。然而,整个电池的性能受InGaAs子电池弱的抗辐射性能影响,制约其空间应用。基区减薄是提高电池抗辐照性能的主要手段,然而会带来
2、电流不足的问题。通过在基区减薄的 InGaAs 电池底部引入全方位反射器(omni-directional reflector,ODR)结构,在提高其抗辐射性能的同时保证了其电流密度。通过光照 I-V 测试及外量子效率(EQE)测试,发现ODR结构的引入可增加载流子收集率提高短路电流密度。通过光照I-V测试及暗态I-V测试,发现ODR结构的引入降低了复合电流,并提高了开路电压。结合理论分析,载流子收集率的增益以及复合电流的降低有利于提高填充因子。最终,ODR背反射结构有效提高了基区减薄InGaAs电池的性能。关键词:ODR反射器;抗辐照;电流匹配;太阳电池中图分类号:TM 914文献标识码:A
3、文章编号:1002-087 X(2023)07-0948-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.028Research of enhanced properties of InGaAs solar cell with ODR backreflectorsLIU Lirui1,2,LI Xiaoyun1,GUO Hongliang2,YAO Liyong2(1.Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 30
4、0384,China)Abstract:Inverted InGaP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cell,with better spectral matching,was one of thetechnology routes to achieve higher efficiency for space application.However,the poor radiation resistance of InGaAssub-cell limited that of triple-junction solar cell,further restri
5、cted its apace application.ODR back reflector layer wasadded at the backside of base region within thinned InGaAs sub-cell,and its effects on the properties of solar cell wereexplored.From the results of light I-V test and EQE,it iss found that the introduction of ODR structure improves thecarrier c
6、ollection and enhances short-circuit current.From the results of light I-V tests and dark condition I-V curves,it is found that the introduction of ODR structure reduces the recombination current and enhances open-circuitvoltage.Combined with theoretical analysis,enhanced carrier collection and redu
7、ced recombination current facilitatethe improvement of fill factor.In conclusion,base region thinned InGaAs sub-cell with ODR back reflect layer couldenhance solar cell properties effectively.Key words:ODR reflector;radiation resistance;current matching;solar cellsIII-V族太阳电池具有高转换效率和较强的抗辐照性能,广泛应用于空间飞
8、行器。目前,空间飞行器使用的太阳电池主要为正向晶格匹配多结III-V族太阳电池,其批产转换效率接近30%1。AM0光谱下,GaInP/(In)GaAs/Ge三结电池中 Ge结子电池电流富裕,载流子热弛豫能量损失较大。为了进一步提高空间用太阳电池的转换效率,通常需要提高各子电池的电流匹配。利用1.0 eV的 InGaAs结取代 0.67 eV的Ge结,减小底结电池载流子弛豫造成的能量损失,通过提高电池电压而几乎不损失电流实现电池效率的进一步提高。目前,反向三结 GaInP/(In)GaAs/GaInAs 太阳电池实验室水平最高转换效率可达33%(AM0)2。然而,反向三结电池需要采用晶格失配技术
9、制备 1.0 eVInGaAs结。由于内应力的影响,材料内部存在较多的缺陷。这些缺陷形成的载流子复合中心导致少数载流子有效寿命降低,缩短少数载流子的扩散长度,导致光生载流子收集能力变差,恶化太阳电池电性能。反向三结 GaInP/(In)GaAs/GaInAs电池在工作状态下,各子电池以相同的电流工作,电压为各子电池电压叠加之和。因此,提高InGaAs子电池的载流子收集率,是提高反向三结太阳电池性能的关键技术之一。日本 JAEA(日本太空发展署)的 Mitsuru Imaizumi等研究了 InGaP/GaAs/InGaAs 电池辐照前后性能变化,发现反向三结 InGaP/GaAs/InGaAs
10、 太阳电池经过 1016/cm2电子辐照后,InGaAs子电池性能衰退最严重3,说明辐照对InGaAs子电池的影响最大。InGaAs 子电池的抗辐照性能是 InGaP/GaAs/InGaAs三结电池抗辐照性能的制约因素。因此,设计具有强抗辐射能力的器件结构提高 InGaAs 子电池载流子收集,对于提高其抗辐照特性具有重要意义4。目前提高载流子收集能力的方法之一是减薄基区厚度。对于相同缺陷密度的晶体,减薄基区厚度(即光吸收层材料体9482023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计积),可减少缺陷和载流子复合中心数量。载流子复合几率降低,进而提高载流子收集。然而,基区减薄后光吸收不足,导致器
11、件电流密度降低。采用光管理结构,使光线在电池内部多次反射实现光程增益,是提高材料光吸收的有效方法之一5-7。对于底结InGaAs子电池,可采用的光管理结构主要包括:分布式布拉格反射器(distributed bragg reflector,DBR)反射器,金属反射器、ODR反射器等。DBR反射器是采用外延方法生长周期结构的折射率高低相间的材料,对特定波长范围内的光有良好的反射效果。采用该结构可实现较高的光反射效果,但外延生长的时间成本、材料成本较高,不利于大规模工程化应用。金属反射器一般采用Au、Ag等高反射率金属材料,该结构光反射效果较好。但 III-V族材料体系与 Au、Ag等存在互扩散等
12、问题,影响器件性能。ODR 反射器是采用介质/金属构成高反射效果的反射结构,该结构光反射效果最佳,且有效避免金属与 III-V族材料直接接触带来的互扩散等问题。该结构用于InGaAs电池的相关报道和数据相对较少,介质层折射率、厚度等参数需进一步优化。本 文 基 于目 前 反 向 生 长 三 结 砷 化 镓 太 阳 电 池 中 的InGaAs子电池抗辐照性能较差的问题,引入ODR结构,实现电流和电压的同时提高。首先,本文采用 Macleod 仿真软件对 InGaAs 子电池上的 ODR 结构进行仿真和设计,得到合适的器件参数。在此基础上,将该结构应用于基区减薄的InGaAs子电池中,探索其对电池
13、性能的影响。通过 I-V测试及外量子效率(EQE)测试,分析了ODR结构对短路电流、开路电压和填充因子的影响,明确了ODR结构对载流子收集的增强和对复合电流的抑制效应。1 实验1.1 具有ODR反射器的反向生长三结砷化镓太阳电池的基本结构普通反向生长三结砷化镓太阳电池结构包括栅线上电极、太阳电池外延层、隧穿结、金属衬底(背电极),如图1(a)所示。采用的金属材料一般为 Au、Ag、Ti等,本文中采用 Au为与InGaAs底电池接触的金属材料。带ODR结构的反向生长三结III-V太阳电池结构是将普通反向三结III-V太阳电池的金属衬底替换为介质/金属组成的ODR反射器,如图1(b)所示。1.2
14、器件制备工艺采用德国AIXTRON公司的X-26型MOCVD设备生长外延结构。介质层材料采用电子束蒸发制备,其本底真空度为10-4Pa。金属衬底和金属栅线采用热蒸发制备,本底真空度为 10-4Pa。介质材料及金属材料由北京有色金属研究院提供,材料纯度大于99.99%。上电极图形采用光刻显影技术制备,电池尺寸为2 cm2 cm,InGaAs子电池的基区厚度分别为2和3 m。1.3 测试表征InGaAs太阳电池光照I-V曲线在AAA级太阳模拟器下测量得到,太阳模拟器光谱为 AM0光谱,且经过标准子电池校准。I-V曲线的数据使用KEYTHLEY2400数源表进行扫描和采集。暗态I-V曲线则是在暗室中
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