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三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应(2)

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实验结果也证实了Voc随温度升高而降低的此近似线性的负温度系数。5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品，分别在辐照后10 s和7 s后，温度到达450 ℃，Voc降为0 V；2 W/cm2功率密度对应的电池样品，由于在辐照60 s内最高温度未超过450 ℃，因此Voc的变化曲线与温度T曲线保持反向一致，最低值约为0.2 V。辐照结束后，2 W/cm2和5 W/cm22个功率密度对应的电池样品，Voc随着温度的降低而逐渐恢复；8 W/cm2功率密度对应的2个电池样品中，有1个电池样品Voc发生明显衰降，无法恢复。

2.2 激光辐照后电池性能表征

真空激光辐照实验后电池样品的外观图片如图6所示。2 W/cm2电池样品前后表面没有发生明显变化；5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品，前后表面都有明显烧蚀的痕迹，这是由于盖片胶、背电极层在高温下发生热分解。虽然经模式变化光斑能量趋于均匀，但在电池表面激光能量还是呈现近高斯分布的特点，即中心区域能量密度更高，造成的热分解效应也更加明显。

图6 辐照后电池样品正背面外观Fig.6 Front and back appearance of the solar cell samples after irradiation

图7为激光辐照后电池在AM0光谱下测试的标准I-V曲线，2 W/cm2电池样品I-V性能与标准片比较没有明显的变化；5 W/cm2和8 W/cm22个功率密度的电池样品I-V性能都发生了程度不同的衰降，8 W/cm2有一个电池样品发生了明显损坏。

图7 辐照后电池样品I-V性能测试 of solar cells after irradiation

各电池样品激光辐照实验后I-V性能的相对衰降率见表1。2 W/cm2电池样品的各I-V参数基本没有变化；5 W/cm2电池样品的各I-V参数均有一定程度的下降，其中Vm、Im衰降率均在6%左右，Eff衰降率约13%；8 W/cm2电池样品的各参数衰降进一步扩大，Vm、Im衰降率均在18%左右，Eff衰降率约35%，对于发生损坏的电池样品，Voc、FF衰降率大于35%，Eff衰降率大于70%。

表1 辐照后电池样品IV参数相对衰降率Tab.1 RelativeI-Vdegradation rates of the solar cell samples after irradiation %

激光辐照实验后电池串联电阻（Rs）与并联电阻（Rsh）的测试数值如图8所示。2 W/cm2和5 W/cm2电池样品Rs、Rsh变化规律不明显；8 W/cm2电池样品的Rs显著增大，Rsh显著减少。特别是损坏的电池样品，Rsh值只有11 Ω，与正常的电池样品比较降低了2个数量级。

图8 辐照后电池样品串并联电阻值Fig.8 Resistance values of the solar cell samples in series and parallel after irradiation

图9和表2为辐照后电池样品QE测试结果。可以看出2 W/cm2电池样品的各子电池量子效率与标准片比较没有明显变化，5 W/cm2电池样品的顶电池与底电池量子效率发生部分衰降，8 W/cm2电池样品的顶电池与底电池发生严重衰降。

图9 辐照后电池样品量子效率Fig.9 QEs of the solar cell samples after irradiation

表2 辐照后电池样品各子电池光谱响应电流Tab.2 Spectral response current of sub-cells of the solar cell samples after irradiation mA·cm-2

表3和图10为辐照（8 W/cm2，60 s）前后电池背电极SEM图及EDS元素分析。背电极采用与P型Ge衬底具有良好欧姆接触的Pd/Ag/Au复合金属层，可以看出辐照前电极层致密连续，表面EDS谱图Au元素特征峰显著；辐照后背电极层发生了明显的形貌变化，金属层不再致密连续，呈现相互独立的点状分布，EDS元素分析表明Ge衬底已大面积裸露，点状区域呈现相关金属元素与Ge的合金态，Pd/Ag/Au结构已经完全破坏。

表3 辐照前后背电极表面元素质量分数Tab.3 Element mass fractions of the back electrode surface before and after irradiation %

图11所示为辐照（8 W/cm2，60 s）前后电池截面SEM图，可以看出与辐照前比较，盖片胶基本已气化消失，玻璃盖片与电池裸片层已经完全分离。

图10 背电极表面SEM及EDS辐照前后对比Fig.10 SEM images and EDS spectra of the back electrode surface before and after irradiation

图11 电池样品截面SEM辐照前后对比Fig.11 SEM images of the solar cell sample section before and after irradiation

3 激光辐照损伤机理分析

由于激光波长为1 315 nm，光子能量未达到顶电池GaInP和中电池GaAs的禁带宽度，对两者无光电效应，绝大部分的光子将穿过顶电池和中电池达到底电池。在Ge底电池发生光电效应，电子吸收光子从价带跃迁至导带，形成光生载流子，在PN结内建电场的作用下，底电池两端光生载流子大量聚集。当产生的漂移电场与内建电场相互平衡时，产生的新光生载流子将完全复合，并与声子相互作用，将激光能量完全转换为热能被底电池吸收。

典型的GaInP/GaAs/Ge三结电池由近20层材料结构构成，每层材料质量都会影响器件性能。高温将加剧内部掺杂原子的热扩散作用，破坏有序的掺杂结构。由于顶电池采用具有场助收集效应的n+-n-/p--p+结构［10-11］，底电池采用减薄型GaAs-Ge异质界面扩散结构［12］，使得顶电池与底电池对于热扩散破坏效应更加敏感，高温将破坏内建电场对光生载流子的有效输运，增大界面复合，严重影响顶电池与底电池载流子收集，使电池串联电阻Rs增大，并电阻Rsh减小。此外高温引起背电极金属层的变形，Pd/Ag/Au结构被破坏，Ge衬底大面积裸露，将影响电池层与电极层的欧姆接触，进一步增大电池的串联电阻Rs。

文章来源：《真空科学与技术学报》网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2020/1224/424.html