NIEL-Dosisanalyse an InGaP/GaAs/Ge-Solarzellen mit Dreifach- und Einzelübergang, die mit Elektronen, Protonen und Neutronen bestrahlt wurden

NIEL- an Dosisanalyse Triple- und Junction Single -

InGaP/GaAs/Ge Solarzellen - bestrahlte Mit Elektronen ,

Protonen und Neutronen

Abstrakt

Triple-Junction-Solarzellen (InGaP/GaAs/Ge) und Single-Junction-Solarzellen (SJ) wurden mit Elektronen, Protonen und Neutronen bestrahlt. Der Abbau der verbleibenden Faktoren wurde als Funktion der induzierten Displacement Damage Dose (DDD) analysiert, die mit dem SR-NIEL-Ansatz (Screened Relativistic Non Ionizing Energy Loss) berechnet wurde. Das Ziel dieser Arbeit besteht insbesondere darin, die Variation der in Solarzellen verbleibenden Faktoren aufgrund der Neutronenbestrahlung im Vergleich zu den zuvor mit Elektronen und Protonen erhaltenen Faktoren zu analysieren. Die aktuelle Analyse bestätigt, dass die Verschlechterung des elektrischen Parameters Pmax über den üblichen semiempirischen Ausdruck mit der Verdrängungsdosis zusammenhängt, unabhängig von der Art des einfallenden Partikels. Die Isc- und Voc-Parameter wurden auch als Funktion der Verdrängungsschadensdosis gemessen. Darüber hinaus wurde eine DLTS-Analyse an mit Neutronen bestrahlten Dioden – mit der gleichen epitaktischen Struktur wie die mittlere Teilzelle – durchgeführt.

1 Einführung

Die Vorhersage der Solarzellen von Degradation , aufgrund der Strahlung vorhandenen in Weltraumumgebung der , ist von größter Bedeutung bei der Vorbereitung von Weltraummissionen . Richtung strahlungsintensiver in Umlaufbahnen Die Strahlungsanalyse , von Solarzellen ist erforderlich um vorherzusagen die End- Of -Life- (EOL) Leistungen der Solaranlagen . Die Verschlechterung der Solarzellen von elektrischen Leistung hängt von der Energie, Leuchtkraft und der Art der einfallenden Teilchen der ( Elektronen , , Protonen, , Neutronen , usw. ) ab.

zwei Methoden werden Derzeit angewendet von Weltraumakteuren , zur um zu treffen im -Orbit von Solarzellen Leistung Vorhersagen : die Equivalent Fluence -Methode entwickelte vom JPL ( Jet Propulsion Laboratory - ) [2 . Auch wenn ihr Stein wird hauptsächlich , verwendet aufgrund seines , Erbes , er hat den Nachteil - , dass eine große Anzahl von Bestrahlungstests mit unterschiedlichen Partikeln unterschiedlicher sind Energie und Leuchtdichte erforderlich . Im Gegensatz dazu , der neuere , DDD Ansatz erlaubt vorherzusagen ausgehend das EOL Verhalten - - von Solarzellen was von einer reduzierten Anzahl von Bestrahlungstests . ermöglicht eine - schnelle Analyse neuer Zelltechnologien . Der Kernaspekt dieser Methode dass sie basiert besteht darin auf der Berechnung - der daraus NIEL ( Nichtionisierender Energieverlust Inneren , ) Dosen die , wiederum , , abhängen von der Höhe des permanenten Verschiebungsschadens , hervorgerufen durch Partikelwechselwirkungen der im des Geräts und resultiert

zur führen Verschlechterung der ​ elektrischen Leistung .Mit Ansatz eine einzige charakteristische Abbaukurve , kann werden erhalten unabhängig der Partikelart ​ wird wenn der Abbau bezogen auf die Werte tatsächlichen von der Verdrängungsschadensdosis diesem nur .

In der vorliegenden Arbeit Ergebnisse von Elektronen-, Protonen- und die Neutronenbestrahlungstests die , durchgeführt wurden an Triple-Junction Solarzellen - und verwandten Iso - Subzellen werden vorgestellt . Die NIEL- Dosen, die von wurden der Verschiebungsschwellenenergie E d abhängen, , dem ermittelt SR mit - NIEL - Tool ( ]) [4 . Die Degradationskurve das - für jeden Zelltyp wird erhalten durch Auftragen am der verbleibenden Faktoren ( Verhältnis des am Lebensende EOL Werts zum Lebensanfang - BOL ) eines bestimmten elektrischen Parameters als Funktion berechneten des DDD . Wert

2 Beschreibung der bestrahlten Proben

InGaP/InGaAs/Ge TJ Solarzellen und zugehörige Komponentenzellen mit AM0 - Effizienzklasse 30 % (CTJ30) wurden hergestellt . - als 2 x 2 cm 2 Solarzellen mit und 0.5 mit mm Durchmesser Dioden (nur obere und mittlere Unterzelle ) 1. Die TJ

Abbildung 1: Schema der Triple Junction (TJ) und Single Junction (SJ) Isotyp -Unterzelle s (oben, in der Mitte und unten).

Solarzelle Die besteht aus , der einem Germanium -Übergang unteren erhalten wird , durch Diffusion in das Germanium - P- Substrat einem mittleren Übergang aus I n)GaAs, dessen Energielücke etwa beträgt , 1.38 eV und einem oberen Übergang aus InGaP mit einer Energielücke ( von 1.85 eV. Komponentenzellen , die eine elektrische sind Single-Junction - (SJ) Zellen darstellen sollen und optische Darstellung der Unterzellen innerhalb der TJ- Zelle . Deshalb bei der Herstellung , besonderes Augenmerk wurde gelegt zu reproduzieren darauf die optische Dicke aller - oberen Struktur Schichten vorhandenen in der TJ . Obere und mittlere Unterzellen um für die DLTS- Analyse wurden ebenfalls als Dioden 0,5 mm Durchmesser hergestellt, wobei verwendet wurde, eine Mesa -Ätzung die zu entfernen mit Kantendefekte mit verbundenen dem Schneiden .

3 Experimentelles Bestrahlungsverfahren ​

Solarzellen wurden , der Bestrahlung gemessen unter BOL- und dann nach eine Selbstheilungsdauer von Elektronen etwa einem Monat für was und Protonen und etwa zwei Monaten für Neutronen Bedingungen ermöglichte .

TJ Solarzellen Solarzellen und Komponentenzellen von wurden bestrahlt bestrahlt mit Protonen und Elektronen bei unterschiedlichen Energien und Leuchtdichten ( Tabelle [6, [8 ) verwendet experimentelle Daten zu Aktivierungsraten - und entsprechenden Wirkungsquerschnitten als wurden verschiedener Elemente um 10] . ​ , wurden , zusammen mit Monitorproben bei erhalten zu mehr eine einem Prozent 5 der Genauigkeit . Neutronenleuchtdichte Die . wobei siehe ​ ​ ​ ​ ​-​ ​ ​ [3, [12 ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 7 ​ In dieser Arbeit , die TJ- durch Solarzelle wurde , eine GaA - s Einzelverbindungszelle angenähert da die mittlere Zelle diejenige , ist die sich hauptsächlich auf auswirkt die bei TJ- Gesamtleistung EOL .

Für schnelle Neutronen aus Kernreaktoren ​ berechnet die Verschiebungsschadensdosis werden : kann ] aus siehe [4 ) (

Dabei D(E) ist die Schadensfunktion Funktion (auch ) als Verschiebungs -Kerma- bezeichnet in Einheiten von MeV · und 2 φ E die n Neutronenspektralluenz cm · in cm ) – 2 MeV – 1 . Die Schadensfunktionen (

wurden ermittelt , der mit dem SR-NIEL -Rechner verfügbar ist in [13 . Für die vorliegende Berechnung die spektrale Leuchtkraft verwendet wird des Reaktors - TRIGA Abschnitt ) (siehe III .

Die folgende semiempirische Gleichung wird verwendet, um die experimentell ( RF par ) jedes elektrischen verbleibenden Parameters als Funktion von Faktoren DDD zu berechnen :

sind A, C und DDD x it -Parameter. Es ist auch zu beachten , dass A ist . nur relevant für die unteren Zellen

Die Verschiebungsschwellenenergien , - , E d , wurden ermittelt mithilfe einer Routine die global minimiert die Quadratwurzel SRRD Relativdifferenz . in ( der Punkte Bezug auf berechnete die ) Kurve

Abb . 4. Es ist erwähnenswert dass . , für Neutronen , der berechnete NIEL ist nahezu unabhängig von den Werten von E d .

Durch Betrachtung von Abb. . 4 , unabhängig von der Art des einfallenden Partikels.

Abbildung 2: Optimale Abbaukurve Pmax - mittlere , für TJ untere , obere Zelle und Zelle Zelle .

5 DLTS- Analyse

Eine DLTS -Untersuchung hinsichtlich tiefer Ebenen , die durch Neutronenbestrahlung induziert werden, wurde durchgeführt mit den Proben beschriebene in 7 . In diesen Artikeln das experimentelle Verfahren und die Technik wurden auch besprochen. Insbesondere einem Dioden von 0.5 mm mit Durchmesser wurden hergestellt der Verwendung gleichen Epitaxiestruktur unter mittleren der . Unterzelle Die DLTS Spektren - erhalten von Mittelzellendioden wurden bestrahlten -

mit Elektronen, Protonen und Neutronen – sind in Abb. dargestellt 3 , kann man beobachten

Abbildung 3: Vergleich der Spektren DLTS- von Mittelkontakten, die jeweils bestrahlt werden . Protonen ( 3, 69 x 10 10 MeV g — 1 ), Elektronen (1, 07 MeV 1010 g — ) 1 und Neutronen ( 9 96 , x 1010 MeV g — 1 ) von . Emissionsrate – = 46 s = 1 , 500 Impulsbreite μs, Sperrspannung V r , = – 1,5 V Impulsspannung x V 1 = – 0.1 V.

Wie das Verhältnis der Peakamplituden mit E2/E1 ist viel größer für die Protonen bestrahlte Probe als für die mit Elektronen bestrahlte Probe. 7] . Darüber hinaus der Peak E1 wurde bestrahlte mit a) bei allen Dosen für Proben bei mit Elektronen , b) nur bei den höchsten Dosen für Proben bestrahlte mit Protonen und c) schließlich wurde er vom Hintergrund entkoppelt Neutronen nicht Proben bestrahlten . Die Tiefenebenen E1 und E 2 ​ vom wurden identifiziert als Mehrheitsträgerfallen ​ Massenbasen in den p -Typ ​ ​ 7] .

Abbildung 4: Konzentration von E2- Fallen, die induziert werden durch Bestrahlung mit Elektronen , Protonen und Neutronen in mittleren Subzelle der Dioden als Funktion , von DDD mit E d = 21,5 eV.

Die DLTS- ermöglichten Peakhöhen gemessenen die Bestimmung der durch Defektkonzentrationen 2 , und - - Verdrängungsschäden verursachten dargestellt E die - in , sind Abb . . [6, 2 verdienen weitere Untersuchungen .

6 Schlussfolgerungen

TJ InGaP/GaAs/Ge Solarzellen - und verwandte Komponentenzellen die von wurden bestrahlt . mit Elektronen und Protonen und , schließlich , mit Neutronen im Die TRIGA Reaktor in Casaccia . Solarzellen , elektrischen Leistung Verschlechterung wurde analysiert als Funktion wurde der induzierten DDD Verschiebungsschadensdosis NIEL - - ( - ) berechnet nach dem SR -Ansatz der .

Die experimentell erhaltenen verbleibenden . Leistungsfaktoren , werden gut dargestellt durch einen einzigen semiempirischen als Ausdruck mit Funktion , der der DDD . Darüber hinaus , die Konzentration des - E 2 Tiefniveaus linear wurde dass nahezu abhängt von DDD die einer Steigung wiederum abhängt vom . Partikeltyp , festgestellt

Die aktuellen Ergebnisse machen den Einsatz von Neutronenteilchen zu der einem möglichen Kandidaten für die Prüfung Solarzellen von Degradation für Einsatz im Weltraum den .