Моделирование радиационной стойкости фотоэлектрического преобразователя на основе кремния

Представлена модель вольт-амперной характеристики фотоэлектрического преобразователя p-типа проводимости на основе c-Si с пассивированным эмиттером на тыльном контакте после облучения электронами с энергией 1 МэВ. Ионизирующее излучение вызывает дефекты в кристаллической решетке, увеличивая внутреннее сопротивление фотоэлектрического преобразователя. Установлено, что увеличение концентрации ловушек (энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводникового материала) приводит к уменьшению диффузионной длины неосновных носителей заряда, что, в свою очередь, снижает ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, существенно влияя на эффективность и мощность фотоэлектрического преобразователя. Моделирование кривых деградации основывалось на предположении, что на диффузионную длину неосновных носителей заряда в базе и эмиттере фотоэлектрического преобразователя наибольшее влияние оказывает ионизирующее излучение при облучении электронами с энергией 1 МэВ в диапазоне флюенсов до 10¹⁵ см^-2, что по величине эквивалентно радиационным условиям эксплуатации солнечной батареи. Получены деградационные кривые основных электрических параметров фотоэлектрического преобразователя, включая напряжение холостого хода, тока короткого замыкания, последовательное и шунтирующее сопротивление. На основании рассчитанных кривых деградации тока короткого замыкания и напряжения холостого хода, а также физических основ работы фотоэлектрического преобразователя выявлено, что напряжение холостого хода изменялось более значительно, в то время как ток короткого замыкания практически оставался постоянным. Анализ экспериментально полученных вольт-амперных характеристик показал, что на снижение максимальной мощности (24,8 %) влияет уменьшение шунтирующего и увеличение последовательного сопротивления. Сравнение модели и экспериментальных результатов показало погрешность не более 5,3 %. Таким образом, при оценке радиационной стойкости солнечных батарей частичная замена натурных радиационных испытаний фотоэлектрического преобразователя на моделирование позволит ускорить и удешевить работы.

1. Flood D., Brandhorst H. Current topics in photovoltaics . London: Academic Press; 1987. Vol. 2. 143 p.

2. Гансвинд И. Н. Малые космические аппараты — новое направление космической деятельности. Международный научно-исследовательский журнал. 2018; (12-2(78)): 84—91. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.053

3. Дорошин А.В. Анализ потребностей рынка, интересов частных коммерческих организаций, занимающихся разработкой изделий и предоставлением услуг в области космонавтики и сопряженных технологий. Режим доступа: https://kosmos.ssau.ru/files/Kosmos_SSAU_marketrepot_2022.pdf (дата обращения: 25.11.2024).

4. Асташкин А.А., Карелин А.В., Комиссарова И.Н., Кузьмин Ю.А., Шувалов В.А., Яковлев А.А. Обзор орбитальных группировок космических аппаратов оперативного метеонаблюдения. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2021; 181(2): 24—55.

5. Luque A., Hegedus S. (eds.). Handbook of photovoltaic science and engineering. John Wiley & Sons; 2011. 1168 p.

6. Yamaguchi M. Radiation-resistant solar cells for space use. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2001; 68(1): 31—53. https://doi.org/10.1016/S0927-0248(00)00344-5

7. Tada H.Y., Carter J.R., Anspaugh B.E., Downing R.G. Solar cell radiation handbook. Pasadena, California: National Aeronautics and Space Administration, Jet Propulsion Laboratory, Institute of Technology; 1982. 403 p.

8. Messenger S.R., Jackson E.M., Warner J.H., Walters R.J. SCREAM: A new code for solar cell degradation prediction using the displacement damage dose approach. In: 2010 35th IEEE Photovoltaic special. conf. Honolulu, HI, USA; 2010. P. 001106—001111. https://doi.org/10.1109/pvsc.2010.5614713

9. Рябцева М.В., Чуянова Е.С., Бадурин И.В., Логинова Е.С., Вагапова Н.Т., Петров А.С., Сергеев О.С., Таперо К.И., Арзамасцева Д.М. Исследование радиационной стойкости современных фотоэлектрических преобразователей на основе Si. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2023; (4): 24—30.

10. Клиновицкая И.А., Плотников С.В., Lay P.M.L. Модификация стандартной производственной линии Al-BSF фотоэлектрических преобразователей до PERC с использованием PECVD. Журнал технической физики. 2022; 92(4): 588—595. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.04.52246.224-21

11. Mehta H.K., Warke H., Kukadiya K., Panchal A.K. Accurate expressions for single-diode-model solar cell parameterization. IEEE Journal of Photovoltaics. 2019; 9(3): 803—810. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2896264

12. Shannan N.M.A.A., Yahaya N.Z., Singh B. Single-diode model and two-diode model of PV modules: A comparison. In: 2013 IEEE inter.conf.control system, computing and engineering. Penang, Malaysia; 2013. P. 210—214. https://doi.org/10.1109/ICCSCE.2013.6719960

13. Пархоменко Ю.Н., Полисан А.А. Физика и технология приборов фотоники. М.: Издательский дом «МИСиС»; 2013. 142 с.

14. King D.L., Boyson W.E., Kratochvil J.A. Photovoltaic array performance model. Draft Sandia National Laboratories; 2003. 39 p.

15. Koffi A.H., Armah E.A., Ampomah-Benefo K., Dodoo-Arhin D. A step by step analytical solution to the single diode model of a solar cell. NUST Journal of Engineering Sciences. 2022; 15(2): 60—64. https://doi.org/10.24949/njes.v15i2.728

16. Koffi H.A., Yankson A.A., Hughes A.F., Ampomah-Benefo K., Amuzu J.K.A. Determination of the series resistance of a solar cell through its maximum power point. African Journal of Science, Technology, Innovation and Development. 2020; 12(6): 699—702. https://doi.org/10.1080/20421338.2020.1731073

17. Tada H., Carter J.R. Solar cell radiation handbook. Springfield; 1982 300 p.

18. Емельянов В.М., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Шварц М.З., Лантратов В.М. Многопереходные солнечные элементы с брэгговскими отражателями на основе структур GaInP/GaInAs/Ge. Физика и техника полупроводников. 2010; 44(12): 1649—1654.

19. Tajima M., Warashina M., Hisamatsu T., Matsuda S. Photoluminescence due to boron-related defect in solar cell silicon irradiated with 1 MeV electrons. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2001; 48(6): 2127—2130. https://doi.org/10.1109/23.983183

20. Yamaguchi M., Khan A., Taylor S.J., Imaizumi M., Hisamatsu T., Matsuda S. A detailed model to improve the radiation-resistance of Si space solar cells. IEEE Transactions on Electron Devices. 1999; 46(10): 2133—2138. https://doi.org/10.1109/16.792008

21. Rehman A., Lee S.H., Lee S. H. Silicon space solar cells: progression and radiation-resistance analysis. Journal – Korean Physical Society. 2016; 68(4): 593—598. https://doi.org/10.3938/jkps.68.593

22. Ладыгин Е.А. Радиационная технология твердотельных электронных приборов. М.: ЦНИИ «Электроника»; 1976. 112 с.

23. Cappelletti M.A., Casas G.A., Cedola A.P., Blancá E.P. Theoretical study of the maximum power point of n-type and p-type crystalline silicon space solar cells. Semiconductor Science and Technology. 2013; 28(4): 045010. https://doi.org/10.1088/0268-1242/28/4/045010

24. Евдокимов В.М. Определение параметров неосновных носителей в полупроводниковых фотоэлементах по кривой спектральной чувствительности. Гелиотехника. 1972; (3): 32—38.

25. Емельянов В.М., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Лантратов В.М. Внешний квантовый выход фотоответа каскадных солнечных элементов. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2009; 2(77): 14—23.

26. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское радио; 1971. 248 с.

27. Li S., Huang L., Ye J., Hong Y., Wang Y., Gao H., Cui Q. Study on radiation damage of silicon solar cell electrical parameters by nanosecond pulse laser. Electronics. 2024; 13(9): 1795. https://doi.org/10.3390/electronics13091795