ODR反射器结构对InGaAs电池性能增益的研究.pdf

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 300384,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 restricted 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 collection 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 reduced 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 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 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曲线则是在暗室中采用KEYTHLEY2400数源表进行测量。通过 I-V 测试，可以直接获得电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和转换效率。InGaAs 太阳电池的外量子效率 EQE 由 Zolix Solar CellScan 100量子效率测试仪测得。量子效率测试仪的光强经过Si和 Ge标准电池校正。通过太阳电池的量子效率谱线可分析太阳电池光电流的损失机制。2 结果与讨论2.1 ODR反射器反射率仿真及分析ODR 反射器由介质层和金属层构成，如图 1(b)所示，介质层为 SiO2，金属层为 Au。该结构中，介质层 SiO2的厚度对反射率的影响最大。为了分析不同厚度 SiO2对反射率的影响，采用Macleod软件进行仿真计算，其结果如图2所示。从图 2 中可知，当 SiO2介质层厚度为 0 nm 时(即纯金属层)，反射率最低。加入 SiO2介质层后(介质层厚度 50200nm)，反射率有明显提升。SiO2介质层厚度对不同波长范围内的反射率影响不同。SiO2介质层厚度为 50 nm时，在 5001 000 nm波长范围内反射率最高，而当波长大于1 000 nm时，反射率逐渐降低，但仍高于纯Au结构的反射率。SiO2介质层厚度为100 nm时，在5001 000 nm波长范围内反射率略低于SiO2介质层厚度为50 nm时的反射率，波长大于1 000 nm时，反射率明显提高。SiO2介质层厚度为 150 nm时，在 500800nm波长范围内反射率明显低于介质层厚度为50和100 nm时的反射率，波长大于1 000 nm时，反射率进一步提高。SiO2介质层厚度为200 nm时，在5001 100 nm波长范围内反射率明显低于介质层厚度为50、100和150 nm时的反射率，1 100 nm波长范围以后反射率与介质层厚度为150 nm条件下相当。在反向三结 III-V 砷化镓太阳电池中，ODR 结构应用在太阳电池的底部，主要是1.4 eV以下能量(880 nm)的入射光起反射作用。综合仿真设计结果，介质层厚度为 150 nm 的SiO2/Au型ODR可实现入射光的最大化利用。2.2 具有ODR反射器的反向太阳电池性能增益图3是基区厚度为3 m和基区厚度为2 m带有ODR反射器的 InGaAs 电池 I-V 曲线。从图 3 中可看出，相比于无图1(a)普通结构和(b)ODR反射器结构反向三结砷化镓太阳电池示意图图2仿真计算得到的SiO2/Au反射器结构中不同厚度SiO2的反射率9492023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计ODR 反射器的 InGaAs 太阳电池，基区厚度为 2 m 的带有ODR 反射器的 InGaAs 太阳电池性能有明显提升：电流密度由 18.15 mA/cm2提高到 18.75 mA/cm2，开路电压由 0.59 V 提高到0.60 V。图 4所示为基区厚度为 3 m 的 InGaAs电池和基区厚度为 2 m 且带有 ODR 结构的 InGaAs 电池的 EQE 曲线。对于基区厚度为 3 m 的 InGaAs 电池，在短波区域(8801 000 nm范围内)量子效率较高，而在长波范围内(1 0001 240 nm)量子效率随波长增加而逐步降低。基区厚度为 2 m 的带有ODR 结构的 InGaAs 电池在整个波长范围内(8801 240 nm)量子效率相对较高。长波段外量子效率的提升，表明带有ODR结构的InGaAs电池对长波段光子产生的载流子收集效率提高。忽略界面复合，并假设电池结构所采用的掺杂浓度为均匀掺杂。则在太阳电池中，载流子的收集概率与其所在位置与结区的距离x的关系为8：fc()x=exp(-x/L)(1)式中：x为距离结区距离；L为扩散长度；fc(x)为与位置相关的载流子收集概率。由式(1)可知，x 越大，载流子收集概率越小。在InGaAs电池中，短波段光子主要在距离结区较近的较浅位置被吸收，其产生的载流子被收集概率较大。而长波段光子主要在距离结区较远的较深位置被吸收，其产生的载流子被收集的概率较小。由于基区厚度为3 m的InGaAs电池较深位置处载流子收集效率较低，因而，在长波段量子效率较低。而对于基区厚度 2 m 的 InGaAs 电池，与结区距离大幅降低，载流子收集概率相应大幅提升。因此，在整个波长范围内量子效率较高。图5所示为基区厚度为3 m的InGaAs电池和基区厚度为2 m且带有ODR结构的InGaAs电池的暗态I-V曲线。从图5中可看出，通过减薄基区厚度，暗态电流明显降低。计算得到的反向饱和电流密度由 4.310-11A/m2降低至 2.510-11A/m2。在太阳电池中，暗态电流包含辐射复合电流和非辐射复合电流，非辐射复合电流则主要包括界面处的复合电流(结区/窗口层界面和背场界面)以及体材料缺陷引起的复合电流。太阳电池开路电压与外辐射系数(ERE)的关系可描述为9-10：Voc=Voc,rad+kTqln(ERE)(2)qVoc=qVoc,rad-kT|ext|(3)式中：Voc为开路电压，下标 rad表示理想状态，即细致平衡条件下的开路电压；ext为ERE的倒数；q为电子电量；T为温度。背接触处的ODR结构避免了光子通过下表面向外辐射，进而提高了ERE值，降低了ext，有利于开路电压的提高。非辐射复合方面，由于两种电池结构采用工艺相同，界面质量相同，因而界面复合差异不大。而由于基区厚度为 2m的带有ODR结构的InGaAs电池体积缩小，体复合电流明显减小，因此暗态电流明显降低。电池的开路电压与暗态电流之间的关系如式(4)所示10，降低暗态电流可提高开路电压。这与图3所示的光照条件I-V曲线结果吻合。Voc=kTqln(JLJ0+1)(4)式中：JL为光生电流。理想状态下，太阳电池的理想填充因子与归一化开路电压关系密切，理想填充因子的经验表达式为10：FF0=voc-ln(voc+0.72)voc+1(5)式中：voc为归一化的开路电压，表达式为 voc=Voc/(nkT/q)。开路电压的提高有利于填充因子的提高。如图 3所示，填充因子由77.93%提高至78.18%。3 结论ODR 背反射结构对于提高光子循环有较好的效果。考虑到太阳电池的复杂使用环境中可能存在的金属扩散等问图3基区厚度为3 m和基区厚度为2 m且带有ODR反射器的InGaAs电池I-V曲线图4基区厚度为3 m和基区厚度为2 m且带有ODR反射器的InGaAs电池EQE曲线图5基区厚度为3 m和基区厚度为2 m且带有ODR反射器的InGaAs电池暗态I-V曲线9502023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计题，ODR结构中的介质层可有效阻挡金属扩散。ODR结构制备工艺简单，有利于工程化应用。此外，降低基层薄膜厚度，载流子输运距离缩短，可大大降低复合几率，实现短路电流增益。减薄电池厚度使得暗态电流减小，载流子收集效率提高，开路电压 Voc增加。本实验中采用的 ODR结构使光程增益为2倍。本研究为进一步提高太阳电池载流子管理水平提供良好的技术支持，对于提高电池抗辐照特性有巨大优势。参考文献：1GREEN M A,HISHIKAWA Y,DUNLOP E D,et al.Solar cellefficiency tables(version 51)J.Progress in Photovoltaics Research&Applications,2018,26(1):1-11.2LAW D C,LIU X Q,BOISVERT J C,et al.Recent progress ofspectrolab high-efficiency space solar cellsC/Proceedings of2012 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.US:IEEE,2012.3IMAIZUMI M,NAKAMURA T,TAKAMOTO T,et al.Radiationdegradation characteristics of component subcells in invertedmetamorphic triple-junction solar cells irradiated with electronsandprotonsJ.ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications,2017,25(2):161-174.4MELLOR A,HYLTON N 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