专利名称：一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法
技术领域：
本发明提供了一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法。该方法以载流子连续性方程为基�。ü⒌绯厝饶苡牍馄追淠艽涔痰哪Ｐ停治隽宋露扔朐亓髯邮倜詈嫌跋霨aAs太阳电池伏安特性以及关键电性能参数的过程，并提出了相应地电性能退化预测方法。属于空间用太阳电池电性能测试技术领域。
背景技术：
太阳电池是一种能量转换的半导体器件，与其他形式的电源相比，特别适合在航天器上应用。1958年3月，美国发射先锋1号卫星，第一次采用硅太阳电池作为卫星供电电源。随后相继出现了各类化合物太阳电池，其中III-IV族半导体化合物(如GaAs等)太阳电池的研究开发和空间应用已取得很大成功。空间用电池在入轨以后要同时受到热真空环境、各种空间粒子的照射、太阳紫外线辐射的影响，空间用太阳电池的电性能、机械性能以及热性能均可能出现退化，其中电性能的退化是影响其使用寿命的重要因素。现有的空间用太阳电池电性能测试方法规定了空间标准太阳光光谱、标准辐射强度(1367W/m2)以及标准测试温度(25°C)。然而由于空间应用环境的特殊性，GaAs太阳电池的地面试验不能完好地反应空间复杂环境给太阳电池电性能带来的影响。因此，利用数学模型预测空间用太阳电池电性能退化的手段可以配合地面试验数据评估太阳电池的空间环境适应性。已有的研究显示，Rodolphe Vaille等人提出了地面热环境下的Si太阳电池的伏安特性计算模型，美国喷气动力实验室(JPL)与海军研究实验室(NRL)分别提出了基于以往试验数据的太阳电池粒子损伤模型，但还没有综合考虑两种空间热环境与辐射环境共同作用下的太阳电池电性能退化模型及预测方法。本专利申请从半导体物理的基本原理公式出发，通过建立GaAs太阳电池在空间环境中的热能传输、光谱辐射能传输以及粒子辐射损伤物理过程的模型，提出了一种考虑空间热环境与辐射环境耦合影响的太阳电池电性能退化预测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，此方法考虑了空间热真空环境与辐射环境对GaAs太阳电池的耦合影响，利用此方法，通过建立 GaAs太阳电池在空间环境中的一维模型，以半导体基本方程(少数载流子连续性方程)为基�。导扑鉍aAs太阳电池少数载流子寿命以及电池的稳态温度，从而可以计算得到电池伏安特性，通过伏安特性便可以分析太阳电池性能的退化情况。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案本发明一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，其步骤如下步骤一 GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述。
图1为典型的GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述，它将GaAs太阳电池简化为一个p-n结通过金属电极外接负载。为了便于一维描述，图1仅显示了光生载流子的有效产生区域发射区(P区，GaAs材料)与基区(η区，GaAs材料)，而忽略了窗口层(AKktAs 材料)等用于防止表面复合的工艺层。该一维描述的假设条件如下①电池三个维度上各向同性，故只考虑χ方向；②电池上端(发射区顶部)受到太阳入射光的光谱辐射与粒子辐射；③电池下端由于与基座粘接在一起，不接受外界的光谱辐射。其中n分别表示发射区与基区的宽度，分别表示耗尽层在发射区与基区的宽度。步骤二 考虑空间粒子辐射损伤对载流子有效寿命的影响。当半导体器件受到具有一定能量(大于或等于半导体材料的禁带宽度)的带电粒子辐射时，半导体材料中的原子从排列整齐的品格位置发生位移，产生大量的空位和间歇原子，形成品格缺陷，成为电子空穴对的复合中心，使太阳电池的载流子寿命减�。绯匦阅艹鱿滞嘶饕硐治搪返缌鱆s。、开路电压V。。以及最大输出功率Pm的降低。根据少主载流子连续性方程，少子有效寿命是该方程中的重要参数，只有确定该参数值才能计算剩余少子浓度，并为后续计算光生电流以及伏安特性提供支持。空间粒子辐射损伤模型即载流子有效寿命可表示为
τ __σησρνΛ,η/ρΝ __⑴式中k为玻尔兹曼常数，Trell为电池温度，οη为复合中心的俘获少数载流子电子的横截面积，σρ为复合中心的俘获少数载流子空穴的横截面积，vth, η/ρ为载流子热运动速率，Nt为复合中心浓度，Et为GaAs材料中缺陷的电离能等级，Ei为带隙中值。这些物理参数中，k，Tcell, vth,n/p和Ei与粒子辐射无关，其他参数值均会因粒子辐射产生变化，需要深能级瞬态谱测试来确定数值。步骤三GaAs太阳电池温度的计算。对于太阳电池温度的迭代求解，首先考虑光谱辐射能的传输，该过程的一维模型可以表示为
权利要求
1. 一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一 =GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述GaAs太阳电池在空间环境中的一维描述，是将GaAs太阳电池简化为一个p_n结通过金属电极外接负载；该一维描述仅显示了光生载流子的有效产生区域发射区与基区，而忽略用于防止表面复合的工艺层即窗口层；该一维描述的假设条件如下①电池三个维度上各向同性，故只考虑χ方向；②电池上端即发射区顶部受到太阳入射光的光谱辐射与粒子辐射；③电池下端由于与基座粘接在一起，不接受外界的光谱辐射；步骤二 考虑空间粒子辐射损伤对载流子有效寿命的影响当半导体器件受到具有一定能量即大于或等于半导体材料的禁带宽度的带电粒子辐射时，半导体材料中的原子从排列整齐的品格位置发生位移，产生大量的空位和间歇原子， 形成品格缺陷，成为电子空穴对的复合中心，使太阳电池的载流子寿命减�。绯匦阅艹鱿滞嘶饕硐治搪返缌鱆s。、开路电压V。。以及最大输出功率Pm的降低；根据少主载流子连续性方程，少子有效寿命是该方程中的重要参数，只有确定该参数值才能计算剩余少子浓度，并为后续计算光生电流以及伏安特性提供支持；空间粒子辐射损伤模型即载流子有效寿命表示为
全文摘要
一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法，该方法有四大步骤步骤一GaAs太阳电池在空间环境中的一维模型的建立；步骤二考虑空间粒子辐射损伤对载流子有效寿命的影响；步骤三GaAs太阳电池温度的计算；步骤四GaAs太阳电池性能退化的预测是通过计算伏安特性来实现。该方法考虑了空间热真空环境与辐射环境对GaAs太阳电池的耦合影响，通过建立GaAs太阳电池在空间环境中的一维模型，以少数载流子连续性方程为基�。导扑鉍aAs太阳电池少数载流子寿命以及电池的稳态温度，从而得到GaAs太阳电池伏安特性，通过伏安特性便分析得到太阳电池性能的退化情况。本发明在空间用太阳电池电性能测试技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。
文档编号G01R31/265GK102393503SQ20111035992
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者张素娟, 范峥 申请人:北京航空航天大学
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