【要點摘要】

本篇研究由 云南師范大學 A. Aierken 等人發表。

• IMM三接面電池顯示出與標準LM電池相當的輻射硬度

• IMM電池在輻照后保持更好的電流匹配，這要歸功于輻射抗性的InGaAs底部子電池

• 具有高效率和輻射耐受性的IMM電池對于輕量、靈活的高功率太空太陽能陣列具有潛力

【背景】

格點匹配（LM）GaInP/GaAs/Ge三接面太陽能電池因其高達30%的轉換效率和優秀的輻射抗性而被廣泛應用于太空能源系統。然而，子電池間的電流不匹配限制了進一步的效率提高。使用GaInP/GaAs/InGaAs的倒置變形（IMM）三接面電池通過調節InGaAs底部電池的能隙，同時通過倒置生長過程減少缺陷，實現了更高的效率。在1太陽下，IMM電池的效率超過30%，在集中時可達到40%以上。此外，倒置基板去除的IMM結構使得太陽能電池具有靈活和輕量的特性。盡管已展示出很高的初始效率，IMM三接面電池在廣泛應用于太空之前，其輻射降解特性需要與傳統的LM設計進行更好的理解。本研究旨在分析1MeV電子和10MeV質子輻照對IMM三接面太陽能電池的影響。

【結果】

電性能降級

• 在3.16x10^10 MeV/g的劑量后，IMM電池的剩余Pmax分別為0.86（e-）和0.73（p+），而LM電池則分別為0.85（e-）和0.75（p+）

• 對于IMM電池，Isc的降解較小，而Voc的降解相似

• 暗I-V曲線顯示質子輻照時反向飽和電流的增加較大

• 與先前報告的數值相比，兩種電池均表現出良好的輻射硬度

光譜性能和子電池分析

• 對于IMM電池，EQE主要在GaAs和InGaAs子電池中發生降解，而對于LM電池主要在GaAs子電池中發生

• 在輻照前，GaInP限制了IMM電池的電流，但在輻照后，InGaAs成為了限制因素

• 對于LM電池，在輻照前后，GaAs始終是限制性子電池

• 這表明IMM電池在輻照損傷后能夠更好地保持電流匹配

損傷系數和建模

• 獲得的相對電子與質子損傷系數分別為IMM電池的3.11和LM電池的2.78

• 計算了擴散長度損傷系數，顯示了InGaAs子電池的降解較大，符合預期

• 整體降解行為與基于位移損傷劑量建模的預測相符

【方法】

• 制作了IMM和LM GaInP/GaAs/InGaAs和GaInP/InGaAs/Ge三接面太陽能電池。

• 對電池進行了1MeV電子和10MeV質子的輻照，通量從1x10^14到1x10^15 e/cm2和等效位移損傷劑量。

• 測量了輻照前后的電壓-電流（I-V）曲線，以確定Isc、Voc和Pmax等電性參數的變化。

• 測量外量子效率（EQE）以分析個別子電池的光譜響應和電流密度（Jsc）變化。

【結論】

本研究表明，IMM GaInP/GaAs/InGaAs三接觸太陽能電池展示出出色的輻射抗性，與傳統的LM GaInP/InGaAs/Ge電池相當。在高通量電子和質子輻照后，IMM電池顯示出超過73%的最大功率保留因子。詳細分析表明，盡管初始降解較高，變形的InGaAs底部電池提供了在末期條件下維持電流匹配所需的*韌性。所獲得的相對損傷系數使得能夠對各種粒子進行標準評估。擁有非常高的初始效率和有前景的輻射耐久性，IMM三接觸電池對于靈活、輕量級的陣列設計在未來太空任務中滿足不斷增長的功率需求具有吸引力。進一步提升緩沖層質量可能會提高IMM電池的輻射硬度。準確評估輻射耐久性和性能需要模擬嚴苛的地外AM0光譜。為此，符合ASTM E927標準的太陽模擬器，如Enlitech的SS-ZXR可提供關鍵功能，包括1366 W/m2強度下2%均勻性的標準AM0光譜。氙弧燈光源緊密逼近太陽的5500K分布。此外，先進的沉積AM0濾光片技術確保高光譜準確性，可靠評估太空電池在其壽命期間推進效率邊界。像SS-ZXR這樣的專用儀器將進一步改善容忍度測試和特性化測試。

Fig. 3.（a）IMM太陽能電池和（b）LM太陽能電池在1 MeV電子和10 MeV質子照射下I-V特性的降解。 （DDD = 3.16 × 1010 MeV/g）。

Fig. 7. IMM和LM太陽能電池EQE光譜在輻照下的降解