空间GaAs／Ge太阳电池电学性能仿真与优化机理研究*

王博浩，胡建民

（哈尔滨师范大学）

0 引言

空间太阳电池是航天设备动力的主要能量来源.空间GaAs／Ge太阳电池制备技术成熟，并且电学性能和抗辐照性能优良，已被广泛应用于各类航天器.空间多结太阳电池也正逐步进入航天领域.进一步优化空间太阳电池的结构参数进而提高其电学性能成为当前太阳电池研究工作的主流［1］.

随着仿真技术的快速发展，计算机仿真程序已被广泛用于半导体器件研发.Silvaco TCAD 具有语法简洁、物理模型更加完善、对于第三代半导体仿真结果更加精准、计算易于收敛等优点，成为目前主流的光电器件仿真软件.Luminous是silvaco TCAD 用于进行器件结构仿真的工具，处理光电器件（太阳电池，光电探测器，光敏二极管等）中的光吸收以及光电转换.周涛等学者利用silvaco TCAD修改发射区表面浓度和结深探寻电池最优性能，当单晶硅太阳电池的结深为0.1μm，发射区表面浓度为5 ×1020cm－3时，电池的性能最好，达到20. 39%［2］.陈帅运用silvaco TCAD分别对GaAs多结电池每个子电池的厚度和掺杂浓度进行优化，优化后的多结电池效率达到31.83%［3］.胡凯等学者对InGaAsP 单结太阳电池建模，通过改变基区厚度与掺杂浓度使最终的电池效率达到12.64%.尽管科技工作者做了诸多太阳电池设计工作，大多工作只是物理建模，关于电池结构参数对电学性能的影响机理探讨较少［4］.

该文以国产GaAs／Ge 太阳电池为研究对象，以实验测量数据为基础构建物理模型，探讨GaAs／Ge太阳电池结构参数对其电学性能的影响机理，为空间太阳电池的结构设计和性能优化提供理论依据.

1 实验测试与物理建模

该文使用MOCVD 技术制备的GaAs／Ge 单结太阳电池，面积为2 cm ×1.4 cm，样品结构如图1 所示.使用标准太阳模拟器，依照国际太阳电池测试标准［5］，在25℃AM0 光谱辐照下测试电学参数，短路电流为88.70 mA，开路电压为1010.00mV，最大功率72.00 mW.使用量子效率测试仪测量外量子效率.

该文使用silvaco TCAD 程序依据泊松方程和连续性方程构建GaAs／Ge 太阳电池物理模型，添加了低电场迁移率模型、俄歇复合模型和能带变窄模型以及Shockley－Read－Hall 复合模型.掺杂浓度与厚度数值设置如图1 所示，掺杂均设定为均匀掺杂.依照测量的电学参数和外量子效率拟合设置材料少子寿命，其中禁带宽度、介电常数和亲合能数值来自文献［6］，仿真设定的材料参数见表1.与样品相比缺少减反射膜结构.

图1 GaAs／Ge太阳电池结构示意图

表1 silvaco TCAD模拟设定的材料参数

2 结果分析与讨论

2.1 工作区厚度对太阳电池量子效率的影响

GaAs／Ge 太阳电池的光谱响应是光生载流子收集效率的直接体现，光生载流子的收集效率则直接影响太阳电池的电学性能.图2 是发射区和基区掺杂浓度分别为4 ×1018cm－3和2.5 ×1017cm－3的情况下工作区厚度不同的GaAs／Ge太阳电池外量子效率曲线.如图2 可见，发射区厚度变化对300 ～900 nm 波段的量子效率均有影响，对短波区影响更大.基区厚度变化主要影响波长大于600 nm 范围的量子效率.说明发射区主要吸收300 ～600 nm波段的太阳光，而基区主要吸收600 ～900 nm波段的太阳光.

图2 工作区厚度不同的GaAs／Ge太阳电池外量子效率曲线

图3 是以初始结构电学参数为基础，发射区和基区掺杂浓度分别为4 ×1018cm－3和2.5 ×1017cm－3的情况下GaAs／Ge 太阳电池归一化短路电流Jsc、开路电压Voc 和最大功率Pmax分别随电池发射区和基区厚度变化的关系曲线.由图3（a）可见，在基区厚度为3.2 μm 的情况下随发射区厚度的增大短路电流和最大功率显著减小，这是由于量子效率随发射区厚度的增大显著降低导致的.此外，开路电压Voc 随发射区厚度的增大略有降低，由于开路电压

其中I0为二极管的反向饱和电流，所以开路电压会随短路电流的减小而略有降低.由图3（b）可见，在发射区厚度为0.5 μm 的情况下随基区厚度的增大短路电流和最大功率先增大而后略有降低，而开路电压几乎不变.首先短路电流的变化是量子效率随基区厚度的增大先增加而后减小导致的.电池的开路电压约等于内建电压，而内建电压主要取决于发射区和基区的掺杂浓度，与基区厚度无关.最大功率的变化主要取决于短路电流的显著变化.

图3 工作区厚度不同的GaAs／Ge太阳电池归一化电学参数变化

2.2 工作区掺杂浓度对电学参数的影响

图4（a）和（b）分别是以初始结构参数为基础，发射区和基区厚度分别为0.5 μm和3.2 μm的情况下GaAs／Ge 太阳电池归一化短路电流、开路电压和最大功率分别随电池发射区和基区掺杂浓度变化的关系曲线.由图4 可见，随发射区掺杂浓度或基区掺杂浓度的增高，太阳电池的开路电压逐渐提高，而短路电流和最大功率逐渐减小.

图4 工作区掺杂浓度不同的GaAs／Ge太阳电池归一化电学参数变化

由于开路电压取决于内建电压，而内建电压

其中NA为受主浓度，ND为施主浓度，ni为本征载流子浓度.可见开路电压随发射区受主掺杂浓度或者基区施主掺杂浓度的增高而逐渐提高.太阳电池发射区的电子迁移率

其中，Np为p型半导体的掺杂浓度，对于电池基区的空穴迁移有相同的关系式.由于发射区掺杂浓度越高则少数载流子的散射效应越强，少子迁移率减小使其扩散长度缩短，从而引起短路电流减小.最大功率随发射区或基区掺杂浓度的增高而降低主要是由短路电流的变化决定的.

3 结论

该文以单结GaAs／Ge 太阳电池实验测量电学参数为依据，构建太阳电池物理模型，并在此基础上研究太阳电池工作区厚度和掺杂浓度对太阳电池电学参数的影响.研究结果表明，随着发射区厚度的增大电池量子效率降低导致短路电流显著下降.依据开路电压与短路电流关系，开路电压略微降低.随着基区厚度增大，量子效率先升高，但当基区厚度大于少数载流子扩散长度时，量子效率降低，部分光生电子空穴对不能扩散到结区，致使短路电流下降.但开路电压基本不变.开路电压的大小主要取决于工作区的掺杂浓度，掺杂浓度升高致使内建电压增大，从而开路电压升高.发射区与基区的掺杂浓度升高都会导致少数载流子散射效应增强，致使少数载流子扩散长度缩短，短路电流减小.随太阳电池结构参数的改变最大功率的变化主要取决于短路电流的显著变化.