Моделирование радиационной стойкости фотоэлектрического преобразователя на основе кремния
https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202412.628
Аннотация
В работе представлена модель вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) p-типа 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 ФЭП. Было получено, что увеличение концентрации ловушек (энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводникового материала) приводит к уменьшению диффузионной длины неосновных носителей заряда (ННЗ), что, в свою очередь, снижает ток короткого замыкания (Iкз) и напряжение холостого хода (Uхх), существенно влияя на эффективность и мощность ФЭП. Моделирование кривых деградации основывалось на предположении, что на величину диффузионной длины ННЗ в базе и эмиттере ФЭП наибольшее влияние оказывает ионизирующее излучение при облучении электронами с энергией 1 МэВ в диапазоне флюенсов до 1015 см-2. Получены деградационные кривые основных электрических параметров ФЭП, включая Uхх, Iкз, последовательное (Rпосл) и шунтирующее сопротивления (Rшунт). На основании рассчитанных кривых деградации Iкз и Uхх, а также физических основ работы ФЭП выявлено, что Uхх изменяется более значительно, что связано с нарушением баланса разности потенциалов на тыльных и лицевых контактах ФЭП, в то время как Iкз практически не меняется из-за небольшой деградации диффузионной длины ННЗ в эмиттере. Анализ экспериментально полученных ВАХ показал, что на снижение максимальной мощности (24,8 %) влияет уменьшение Rшунт и увеличение Rпосл. Сравнение модели и экспериментальных результатов показало погрешность не более 5,3 %. Таким образом, при оценке радиационной стойкости солнечных батарей (СБ) частичная замена натурных радиационных испытаний ФЭП на моделирование позволит ускорить и удешевить работы.
Об авторах
А. А. ФеклистоваРоссия
Александра Аркадьевна Феклистова
инженер-технолог, АО «Научно-производственное предприятие «Квант», 3-я Мытищинская ул., д. 16, Москва, 129626, Российская Федерация; студент, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049, Российская Федерация
М. В. Рябцева
Россия
Мария Владимировна Рябцева
канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, АО «Научно-производственное предприятие «Квант», 3-я Мытищинская ул., д. 16, Москва, 129626, Российская Федерация
Е. С. Чуянова
Россия
Елена Сергеевна Чуянова
научный сотрудник, АО «Научно-производственное предприятие «Квант», 3-я Мытищинская ул., д. 16, Москва, 129626, Российская Федерация; аспирант, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049, Российская Федерация
Н. Т. Вагапова
Россия
Наргиза Тухтамышевна Вагапова
канд. хим. наук, доцент кафедры, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049, Российская Федерация
Список литературы
1. Flood D., Brandhorst H. Current Topics in Photovoltaics //Current Topics in Photovoltaics, New York: Academic Press. 1987, vol. 2, pp. 143.
2. Гансвинд И. Н. Малые космические аппараты–новое направление космической деятельности //Международный научно-исследовательский журнал. 2018. №. 12-2 (78). С. 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. URL: 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. Т. 181. №. 2. С. 24 – 55.
5. Luque A., Hegedus S. (ed.). Handbook of photovoltaic science and engineering. – John Wiley & Sons, 2011.
6. Yamaguchi M. Radiation-resistant solar cells for space use //Solar energy materials and solar cells, 2001, vol. 68, no. 1, pp. 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, Calif.: 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 //2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2010, pp. 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, С. 24 – 30.
10. Клиновицкая И. А., Плотников С. В. Модификация стандартной производственной линии Al-BSF фотоэлектрических преобразователей до PERC с использованием PECVD //Журнал технической физики. 2022. Т. 92, №. 4. 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, vol. 9, no. 3, pp. 803 – 810.
12. Пархоменко Ю. Н., Полисан А. А. Физика и технология приборов фотоники. – М.: Издательский дом «МИСиС», 2013. 142 с.
13. Shannan N. M. A. A., Yahaya N. Z., Singh B. Single-diode model and two-diode model of PV modules: A comparison. 2013 IEEE international conference on control system, computing and engineering. 2013, pp. 210 – 214. https://doi.org/10.1109/ICCSCE.2013.6719960.
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, vol. 15, no. 2, pp. 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, vol. 12, no. 6, pp. 699 – 702. https://doi.org/10.1080/20421338.2020.1731073.
17. 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. Т. 44, № 12. С. 1649 – 1654.
18. 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, vol. 48, no. 6, pp. 2127 – 2130. https://doi.org/10.1109/23.983183.
19. 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, vol. 46, no. 10, pp. 2133 – 2138. https://doi.org/10.1109/16.792008.
20. Rehman A., Lee S. H., Lee S. H. Silicon space solar cells: progression and radiation-resistance analysis //Journal of the Korean Physical Society, 2016, vol. 68, pp.593 – 598.
21. 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, vol. 28, no. 4, p. 045010. https://doi.org/10.1088/0268-1242/28/4/045010.
22. Евдокимов В. М. Определение параметров неосновных носителей в полупроводниковых фотоэлементах по кривой спектральной чувствительности // Гелиотехника. 1972. №. 3. С. 32 – 38.
23. 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. Т. 2, № 77. С. 14 – 23.
24. Васильев А. М., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. – М.: Советское радио, 1971. 248 с.
25. 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, vol. 13, no. 9, p. 1795. https://doi.org/10.3390/electronics13091795.
Рецензия
Для цитирования:
Феклистова А.А., Рябцева М.В., Чуянова Е.С., Вагапова Н.Т. Моделирование радиационной стойкости фотоэлектрического преобразователя на основе кремния. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2025;28(1). https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202412.628
Послать статью по эл. почте 