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

NIEL- an Dosisanalyse Triple- und Single - Junction

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 in Richtung strahlungsintensiver 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, der Leuchtkraft und der Art der Protonen einfallenden Teilchen ( Elektronen, , , , Neutronen , usw. ) ab.

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

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

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

2 Beschreibung der bestrahlten Proben

InGaP/InGaAs/Ge TJ Solarzellen und zugehörige Komponentenzellen mit AM0 mit - Effizienzklasse 30 % (CTJ30) wurden hergestellt . als 2 x 2 cm 2 Solarzellen - 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 unteren Germanium -Übergang, erhalten wird durch Diffusion in das Germanium - P- Substrat , einem mittleren Übergang ( I n)GaAs, dessen Energielücke aus beträgt etwa 1.38 eV und einem oberen Übergang aus InGaP mit einer Energielücke , von 1.85 eV. Komponentenzellen , sind Single-Junction - (SJ) Zellen die eine elektrische und optische Darstellung der Unterzellen innerhalb der TJ -Zelle darstellen sollen. Deshalb bei der besonderes die Augenmerk darauf wurde , zu reproduzieren gelegt optische Dicke aller in oberen Schichten Struktur TJ vorhandenen der Herstellung - . Obere und mittlere Unterzellen wobei für die DLTS- Analyse wurden ebenfalls als Dioden mit 0,5 mm Durchmesser hergestellt, verwendet wurde eine Mesa -Ätzung um zu entfernen die Kantendefekte , verbundenen mit dem Schneiden .

3 Experimentelles Bestrahlungsverfahren ​

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

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

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

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

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

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

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 der ( ) Punkte berechnete in Bezug auf 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: Pmax für - Abbaukurve obere untere TJ , Zelle , Optimale Zelle Zelle und . mittlere

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 wurden Dioden von 0.5 mm einem Durchmesser unter hergestellt Verwendung der gleichen . Epitaxiestruktur mit der mittleren Unterzelle Die DLTS Spektren - wurden von Mittelzellendioden bestrahlten - erhalten

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

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

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

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

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

6 Schlussfolgerungen

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

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

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