[发明专利]一种空间环境中的GaAs太阳电池性能退化预测方法

说明书

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础，通过建立电池热能与光谱辐射能传输过程的模型，分析了温度与载流子寿命耦合影响GaAs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℃)。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)为基础，数值计算GaAs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(n区，GaAs材料)，而忽略了窗口层(AlGaAs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x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w_p，n分别表示发射区与基区的宽度，x_p，n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小，电池性能出现退化，主要表现为短路电流J_sc、开路电压V_oc以及最大输出功率P_m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：