质子辐射对多晶硅太阳能电池性能影响的理论研究

摘要

这项工作的目的是研究硅太阳能电池的行为在不同流量的高能量质子辐射（10MeV）和恒定多光谱照射下的不同流量的照射。已经进行了许多理论等实验研究，对太阳能电池的辐射（质子，γ，电子等）的影响进行了实验研究。这些研究指出了照射对太阳能电池电气参数行为的影响，但不解释这些效果的原因。在我们的研究中，我们从根本上解释了辐射对太阳能电池的影响的原因。考虑到高能粒子照射的效果下扩散长度的经验公式，我们建立了连续性方程，光电流密度，光伏和动态结速度的新表达。基于这些等式，我们研究了质子辐射下一些电子和电气参数的行为。理论结果表明，由辐射产生的缺陷改变了载体分布和载波动态在底部的大部分中，然后影响太阳能电池电气参数（短路电流，开路电压，转换效率）。在这项研究中，它还看来，在低通量的情况下，由于存在隧道缺陷，接合动态速度降低。获得的结果可能导致改善硅太阳能电池的连接的质量。

1.介绍

为了提高嵌入空间中的太阳能电池的效率，主要是卫星，辐射环境中的关于硅太阳能电池的深入研究已经携带，主要焦点构建硅空间太阳能电池损伤的理论模型[1]，领导了有关伽马射线损伤效应的实验研究[2］．在高能粒子下的半导体器件行为的研究非常重要。几篇工作文章研究了太阳能电池输出参数的理论外部因素依赖性，分析提供了重要信息。1 MeV电子照射对太阳能电池电参数的影响表明，辐射诱导的缺陷被认为是重组中心，并导致开路光电压的降解_oc，短路光电流密度 ，最大功率_米［3.- - - - - -5］．辐照对分流电阻影响的研究表明，分流电阻随粒子影响的增大而减小[6］．研究表明，辐射引起的损害主要表现在以下几个方面[7]:漏电流增大，由中间间隙产生中心和复合中心形成;复合中心的生成与粒子通量的增加成正比;细胞有效掺杂浓度的变化;以及由于带隙内缺陷态的电荷载流子俘获而导致的电荷收集效率降低。一些研究[8，9)也表明，在一阶下，短路电流的退化率(_sc)是其组成材料的吸收系数的函数，而开路电压(_oc）取决于研究制度，载体的扩散或重组。这两种现象导致太阳能电池最大功率的降低。

在这些研究中，作者指出了辐照对太阳能电池电参数的行为(增加或减少)的影响，但没有解释这些影响的原因。在这篇文章中，我们提出了一个基本的研究，解释了辐射对太阳能电池的影响的原因。首先，从根本上解释了辐照缺陷对基体中载流子分布影响的原因。其次，我们将载流子分布与太阳电池辐照产生的缺陷联系起来，从根本上解释了太阳电池连接处载流子的动态行为，以及其电学参数。

2。材料和方法

2．1．分析配方

本研究考虑了用低流量照射的太阳能电池（小于10¹³厘米^－2)，在多光谱照明下。在这个能量范围内，缺陷的分布是均匀的[10]，因此我们可以考虑一个简化模型，其中扩散长度足以表征高能粒子作用下太阳能电池的退化[11，12］．这项研究已经在拟喹琅（QNB）假设的理论中进行了[13］．

在此条件下，基底本体内载流子的分布方程为:

在这个表达式,

载波产生速率是多少位置(14，15]，为少数载流子的扩散长度，为辐照前少数载流子扩散系数，深度处的光生少数载流子密度是多少在基地，和是从在空气质量1.5标准条件下实现整体太阳辐射谱的产生速率建模的系数[14］．

给出如下: 在哪里为辐照前的扩散长度，是影响，还是是在给定的辐射能量下，与材料相关的损伤率( ）［16］．

通过注入方程(2)进入方程(1)，得到了少数载流子的一般连续性方程，它是一个常系数二阶微分方程。

式(1)是由[17- - - - - -19]： 和 和

使用了下列边界条件[17，19]：(我)在交叉处( ） (2)背面( ） 系数和可由以前的边界条件(4)和(5)．在方程(4)和(5),表达式和分别为结动速度和背面复合速度。

结动速度描述了在太阳能电池结槽处的载流子行为两种现象[20.]：(我)太阳电池结界面载流子本征损耗，以载流子本征结复合速度为特征(2)载流子在外部负载作用下通过太阳能电池结扩散，并以载流子扩散速度为特征

结动速度科幻小说,这是在交叉点的载波收集率，是这两部分的和: ．

2．2.电子和电气参数的表达

2.2.1。光电流密度

光电流密度表达式如下:17- - - - - -19]：

短路电流密度由以下关系式给出:

2.2.2。本征结复合速度

通过求解等式如下，获得固有结复合速度[17，19]：

式(9）给出：

2.2.3。光伏

玻尔兹曼定律引出了太阳能电池的光电电压的表达式，它依赖于结处的载流子浓度。其表达如下[17，19]： 和 和

为热力学平衡时的电子密度;为电子的本征浓度( ）; 为基本电荷;为基底的掺杂密度( ）; 为热电压( ）在 ； 是玻尔兹曼常数。

当动态结速度为零时，得到开路电压:

2.2.4。转换效率

太阳能电池的转换效率是输出功率与入射光功率的关系，由下式给出: 在哪里是事件灯功率 ．

3.结果与讨论

3．1.辐照对电子参数的影响

3.1.1。照射对交界动态速度的影响

辐照对太阳能电池的影响通过其对太阳能电池材料质量的影响来体现，然后，对从重组中逃逸而产生电流的载流子的数量的影响。结动速度 表征了两个载流子在结( ）以及载流子通过结( ）［16，21］．对于给定的照明和给定的外部负载( ），可在太阳能电池连接处收集的载流子数量(与 ）会随太阳能电池材料质量的不同而变化，然后，与载流子固有复合的结(有关 )．由此我们可以推断，粒子通量对结动速度的影响导致其对本征复合速度的影响太阳能电池。

图中的曲线1研究了粒子影响量的增加对太阳能电池结动速度的影响 j．在结动速度表达式中( ）， 式()为本征结复合速度10)，并考虑载流子扩散速度的中间操作值 ：

从曲线上可以看出，随着注量的增加，结动速度有两种表现。

对于低通量( ），我们观察到结复合速度的降低。当我们增加粒子的通量时，我们也增加了太阳能电池材料及其连接处的缺陷。

随着太阳能电池连接处缺陷的增加，必须在连接处收集的载流子数量会减少，从而导致载流子扩散速度的降低( ）并且除了降低结动速度( )．对于给定的操作点，流量的增加导致了在太阳能电池的交界处产生的缺陷量重新组合必须越过该交叉点的所有载体的情况。因此，载流子扩散速度为空（ )．这种情况对应于曲线的最小值，对于粒子的注量( ），结动速度( ）等于本征复合速度( )．超出这种流量的价值（ ），在结处产生的缺陷数量大于必须通过结的载流子数量，然后，缺陷的过量导致本征复合速度的增加( )．对于这些注量的值，结的动态速度的增加仅是由于通过颗粒的流量的材料电离而增加所固体重组速度的结果。

3.1.2。辐照对基底载流子密度分布的影响

图中的曲线2显示了在短路情况下，粒子的通量对沿基底深度载流子密度变化的影响。

在这些曲线上我们观察到载流子密度的最大值随粒子通量的增加而减小。载流子密度最大值的减小，表示每个位置光产生载流子的减少在基地的大部分区域。这种情况可以用以下事实来解释:注量的增加导致产生更多的缺陷，这些缺陷主要作为复合中心[22］．

事实上，能量通量的增加意味着到达太阳能电池的粒子数量的增加。这些粒子在材料晶格中产生位移和电离缺陷[23]，进而导致基底中载体重组的增加。载流子密度随通量的增加而减小，将导致太阳能电池的光电流减小，从而使串联电阻增大[24］．

我们还注意到，随着通量的增加，曲线的峰值向太阳能电池的连接处移动。这种现象被解释为随着通量的增加，缺陷的增加导致了穿过结参与光电流的载流子数量的减少。这一现象也是辐射通过在发射体中产生磷原子扩散而增加空间电荷区深度的结果[25］．

图中的曲线3.研究了粒子密度对太阳电池基部不同位置载流子密度的影响。

我们在这些曲线上观察到，在基底的不同位置，载流子密度随着粒子到达太阳能电池上的通量的增加而减小。这种现象是由于作为复合中心的缺陷的增加。

我们还注意到，当粒子的注量小于7.10时⁷P.cm^－2（ ）在结附近基底深度的载流子密度( ）比底部最深处的小( )．这种情况可以用以下事实来解释: ）对载流子密度的影响不明显。因此，在结附近光产生的所有载流子都穿过这个区域参与到光电流中，这一情况解释了在结附近区域载流子密度较小的原因。如欲查询较远处的接驳位置( ），载流子有时间积累，这种情况解释了在结的这个位置载流子密度的高值。

我们还观察到，其通量值高于7.10⁷P.cm^－2（ ），当我们深入基地深处时，载流子密度会降低。

这些结果也与图中观测到的结动速度曲线反演结果一致1而流量是相等的 ，随着粒子注量的增加，基底深度的载流子密度也在减小3.．

事实上，在粒子的低通量下观察到的载流子密度值很高( ）在交界附近的区域( ）是载流子扩散速度降低的结果( ）随着图中观察到的流量增加1．基底深处载流子密度的降低是基底中载流子复合增加的结果，这是由于随着图中观察到的粒子的通量的增加，材料晶格中的缺陷增加3.．

３．２．辐照对电参数的影响

3.2.1之上。辐照对短路电流密度的影响

图中的曲线4研究了粒子浓度的增加对太阳能电池短路电流密度的影响。

在这条曲线上我们观察到，随着粒子在太阳能电池上的通量的增加，短路电流密度减小。短路电流密度的降低是由于穿过太阳能电池结参与光电流的载流子数量的减少，与结扩散速度的降低是一致的[24随着粒子在太阳能电池上的通量增加，载流子密度也随之降低。

3.2.2。辐照对开路电压的影响

图中的曲线5研究了粒子浓度的增加对太阳能电池开路电压的影响。

光电压直接与基体中的载流子浓度有关。随着粒子通量的增加，电离导致材料缺陷的增加，进而导致基底中载流子复合的增加，从而导致基底中载流子浓度的降低。这解释了开路电压随粒子在太阳能电池上的通量的增加而降低。这也与载流子密度随粒子在太阳能电池上的通量的增加而减小和扩散速度的增加相一致。事实上，这两种情况导致了基底中载体浓度的降低。

3.2.3。辐照对效率的影响

图中的曲线6研究了粒子通量的增加对太阳能电池转换效率的影响。

从图中可以看出，当粒子在太阳能电池上的通量增加时，太阳能电池的转换效率降低。这一结果与辐照强化作用下短路电流密度和开路电压的变化规律相一致。事实上，由于转换效率是电能的函数，然后是光电流和光电压的函数，它们的降低将导致转换效率的降低。

如表所示1在5种不同的能量通量下，太阳能电池的短路电流密度、开路电压、最大电能和转换效率。

从表中可以看出，所有的电学参数(短路电流密度、开路电压、最大电功率和转换效率)都随着粒子在太阳能电池上的注量强度的增加而减小。然后辐照强烈地影响太阳能电池的电参数。质子辐射通量由0增加到10¹²P.cm^－2，效率从15.561%降至6.589%。

4.结论

这项工作证明了粒子(质子)辐照对硅太阳能电池性能的影响。在质子损伤导致扩散长度改变的假设下，通过求解连续方程，得到了过量少子密度、结动态速度、光电流密度和光电压的新表达式。通过研究辐射对这些参数的影响，发现在基底深度的各个层次上，载流子密度和结动速度都随着粒子通量的增加而减小。从根本上说，这种情况可以解释为，辐照的增加增加了太阳能电池材料的电离通过入射粒子，然后导致在大部分的基地和在太阳能电池结缺陷的增加。缺陷的增加增加了基片中光产生的载流子的复合，从而导致基片中载流子密度的降低，但也降低了载流子通过结的扩散。这项研究也证明了辐照的临界价值( ）其中，结动速度( ）等于本征复合速度( )．对于这个通量值，所有必须穿过结的载流子在结处进行本质重组( )．在本研究中我们还观察到，随着通量的增加，太阳电池基底载流子密度的降低，短路电流密度、开路电压、最大电能和转换效率也随之降低。这些结果表明，辐照对硅太阳能电池的性能有很强的影响。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢国际科学计划(ISP)支持他们的研究小组。

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