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摘要

本文为研究1 MeV电子辐照倒置四结(IMM4J)太阳电池InGaAs(1.0 eV)和 InGaAs(0.7 eV)关键子电池的退火效应, 将辐照后的两种子电池在60—180 ℃温度范围累计退火180 min, 并对不同退火温度、退火时间下的两种子电池进行了光IV测试、暗IV测试和光谱响应测试. 实验结果表明两种子电池的开路电压 V _oc、短路电流 I _sc和最大输出功率 P _max随着退火时间的延长逐渐恢复, 温度越高, 恢复程度越大. 在相同的退火条件下, InGaAs(1.0 eV)子电池的恢复程度比InGaAs(0.7 eV)子电池小. 本文通过对暗特性曲线进行双指数模型拟合, 得到不同退火条件下两种子电池的串联电阻 R _s、并联电阻 R _sh、扩散电流 I _s1、复合电流 I _s2. 结果表明在退火过程中两种子电池的 R _sh逐渐增大, R _s, I _s1和 I _s2逐渐减小. 温度越高, 退火时间越长, 恢复程度越大. 在退火60 min后两种子电池的 V _oc, I _sc和 P _max恢复程度均可达到整体恢复程度的85%以上. InGaAs(1.0 eV)子电池的 I _s1和 I _s2的恢复程度远大于InGaAs(0.7 eV). 本文建立了短路电流密度 J _sc和缺陷浓度 N的等效模型, 以此计算得到InGaAs(1.0 eV)和InGaAs(0.7 eV)两种子电池的热退火激活能分别为0.38 eV和0.26 eV.

关键词:

Abstract

In this work, thermal annealing effects of InGaAs (1.0 eV) and InGaAs (0.7 eV) sub-cells for inverted metamorphic four junction (IMM4J) solar cells after being irradiated by 1 MeV electrons are investigated by using light I- Vcharacteristic, dark I- Vcharacteristic and spectral response. Annealing temperature range is 60–180 ℃ and annealing time is 0-180 min. The results indicate that the open-circuit voltage V _oc, short-circuit current I _sc, and maximum power P _maxof two sub-cells are gradually recovered with annealing time increasing, and the rate of recovery increases with annealing temperature increasing. Besides, the recovery rate of InGaAs (1.0 eV) sub-cell is less than that of InGaAs (0.7 eV) sub-cell under the same annealing temperature and time. Double exponential model is used to fit the dark I- Vcurve for the key parameters (the serial resistant R _s, the parallel resistant R _sh, the diffusion current I _s1and the recombination current I _s2). It is found that R _s, I _s1and I _s2of two sub-cells decrease gradually and R _shincreases during annealing and the rate of recovery increases with annealing temperature rising. However, the recovery of I _s1and I _s2of InGaAs(1.0 eV) are much greater than that of InGaAs(0.7 eV). The equivalent model between short-circuit current density ( J _sc) and defect concentration (N) induced by irradiation and annealing is established. Nchanges follow the first reaction kinetics, and the rate constant follows the Arrhenius equation with the annealing temperature. Therefore, the thermal annealing activation energy of InGaAs(1.0 eV) and InGaAs(0.7 eV) sub-cells are 0.38 eV and 0.26 eV, respectively. These efforts will contribute to the IMM4J solar cells, in particular, to space-based applications.

Keywords:

inverted metamorphic four junction solar cells/
electron irradiation/
annealing effects/
activation energy of thermal annealing

作者及机构信息

1.
2.
3.

通信作者:齐春华,qichunhua@hit.edu.cn; 刘超铭,cmliu@hit.edu.cn;

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 11805045, 61704039, 61771167和11775061)、强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室(批准号: SKLIPR2015, SKLIPR1912)和哈尔滨工业大学科研创新基金(批准号: HIT.NSRIF.2019007, HIT.NSRIF.20190028)资助的课题

Authors and contacts

1.
2.
3.

Corresponding author:Qi Chun-Hua,qichunhua@hit.edu.cn; Liu Chao-Ming,cmliu@hit.edu.cn;

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11805045, 61704039, 61771167, 11775061), the State Key Laboratory for Environmental Simulation and Effects of Intense Pulsed Radiation, China (Grant Nos. SKLIPR2015, SKLIPR1912), and the Research and Innovation Fund of Harbin Institute of Technology, China (Grant Nos. HIT.NSRIF.2019007, HIT.NSRIF.20190028)

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InGaAs (1.0 eV)	V_oc/V	I_sc/mA	P_max/mW
未辐照	0.5089	18.25	7.30
辐照后	0.3093	11.57	3.56
剩余率	60.8%	63.4%	48.8%

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InGaAs (0.7 eV)	V_oc/V	I_sc/mA	P_max/mW
未辐照	0.2529	11.660	1.940
辐照后	0.1428	6.950	0.653
剩余率	56.5%	59.6%	33.7%

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InGaAs (1.0 eV)	R_s/Ω	R_sh/Ω	I_s1/A	I_s2/A
未辐照	1.5	4.3 × 10⁴	3.6 × 10^–7	4.2 × 10^–7
辐照后	6.2	5.3 × 10³	6.4 × 10^–5	6.5 × 10^–5
剩余率	4.13%	0.123%	178%	155%

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InGaAs (0.7 eV)	R_s/Ω	R_sh/Ω	I_s1/A	I_s2/A
未辐照	2.9	1.3 × 10⁴	2.7 × 10^–5	3.3 × 10^–5
辐照后	7.5	1.4 × 10³	1.4 × 10^–4	1.9 × 10^–4
剩余率	2.59%	0.108%	5.19%	5.76%

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InGaAs (1.0 eV) 退火温度	未辐照J_sc/mA)	退火时间J_sc/min·mA^–1
InGaAs (1.0 eV) 退火温度	未辐照J_sc/mA)	0	3	5	10	15	30	60	120	180
60 ℃	13.57	10.26	10.26	10.28	10.29	10.31	10.38	10.41	10.48	10.53
90 ℃	13.31	10.19	10.21	10.23	10.28	10.30	10.34	10.39	10.41	10.46
120 ℃	13.75	10.41	10.46	10.49	10.57	10.65	10.78	10.79	10.81	10.84
150 ℃	13.51	10.31	10.43	10.59	10.84	11.07	11.68	11.73	11.83	11.98
180 ℃	13.55	10.38	10.72	10.96	11.46	11.90	12.50	12.67	12.85	12.88

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InGaAs (0.7 eV) 退火温度	未辐照J_sc/mA	退火时间J_sc/min·mA^–1
InGaAs (0.7 eV) 退火温度	未辐照J_sc/mA	0	3	5	10	15	30	60	120	180
60 ℃	8.17	6.27	6.27	6.27	6.31	6.32	6.36	6.40	6.45	6.47
90 ℃	8.33	6.46	6.47	6.48	6.53	6.53	6.55	6.59	6.63	6.67
120 ℃	8.28	6.19	6.21	6.22	6.24	6.28	6.33	6.35	6.42	6.44
150 ℃	8.24	6.15	6.18	6.21	6.25	6.29	6.45	6.71	6.79	6.82
180 ℃	8.25	6.2	6.25	6.3	6.44	6.51	6.8	7.34	7.59	7.69

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退火温度	α[InGaAs (1.0 eV)/s^–1]	α[InGaAs (0.7 eV)/s^–1]
60 ℃	1.74 × 10^–3	1.47 × 10^–3
90 ℃	4.09 × 10^–3	2.43 × 10^–3
120 ℃	7.33 × 10^–3	4.70 × 10^–3
150 ℃	2.52 × 10^–2	7.38 × 10^–3
180 ℃	5.72 × 10^–2	1.82 × 10^–2

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