Моделирование радиационной стойкости фотоэлектрического преобразователя на основе кремния
https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202412.628
Abstract
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.
About the Authors
А. ФеклистоваRussian Federation
М. Рябцева
Russian Federation
Е. Чуянова
Russian Federation
Н. Вагапова
Russian Federation
References
1. Flood D., Brandhorst H. Current Topics in Photovoltaics //Current Topics in Photovoltaics, New York: Academic Press. 1987, vol. 2, pp. 143.
2. Gansvind I. N. Malye kosmicheskie apparaty–novoe napravlenie kosmicheskoi deyatel'nosti. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal = International Research Journal, 2018, no. 12-2 (78), pp. 84 – 91. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.053. (In Russ.)
3. Doroshin A. V. Analiz potrebnostei rynka, interesov chastnykh kommercheskikh organizatsii, zanimayushchikhsya razrabotkoi izdelii i predostavleniem uslug v oblasti kosmonavtiki i sopryazhennykh tekhnologii [Analysis of market needs and interests of private commercial organizations engaged in product development and provision of services in the field of space exploration and related technologies]. URL: https://kosmos.ssau.ru/files/Kosmos_SSAU_marketrepot_2022.pdf. (accessed: 25.11.2024 (In Russ.))
4. Astashkin A. A., Karelin A. V., Komissarova I. N., Kuz'min Yu. A., Shuvalov V. A., Yakovlev A. A. Obzor orbital'nykh gruppirovok kosmicheskikh apparatov operativnogo meteonablyudeniya. Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM = Electromechanical matters. VNIIEM Studies, 2021, vol. 181, no. 2., pp. 24 – 55. (In Russ.)
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. Ryabtseva M. V., Chuyanova E. S., Badurin I. V., Loginova E. S., Vagapova N. T., Petrov A. S., Sergeev O. S., Tapero K. I., Arzamastseva D. M. Issledovanie radiatsionnoi stoikosti sovremennykh fotoelektricheskikh preobrazovatelei na osnove Si. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeistviya na radioelektronnuyu apparaturu, 2023, no 4, pp. 24 – 30. (In Russ.)
10. Klinovitskaya I. A., Plotnikov S. V. Modifikatsiya standartnoi proizvodstvennoi linii Al-BSF fotoelektricheskikh preobrazovatelei do PERC s ispol'zovaniem PECVD. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics. 2022, vol. 92, no. 4. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.04.52246.224-21. (In Russ.)
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. Parkhomenko Yu. N., Polisan A. A. Fizika i tekhnologiya priborov fotoniki [Physics and technology of photonics devices]. – M.: Izdatel'skii dom «MISiS», 2013. 142 p. (In Russ.)
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. Emel'yanov V. M., Kalyuzhnyi N. A., Mintairov S. A., Shvarts M. Z., Lantratov V. M. Mnogoperekhodnye solnechnye elementy s breggovskimi otrazhatelyami na osnove struktur GaInP/GaInAs/Ge. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 2010, vol. 44, no 12, pp. 1649 – 1654. (In Russ.)
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. Evdokimov V. M. Opredelenie parametrov neosnovnykh nositelei v poluprovodnikovykh fotoelementakh po krivoi spektral'noi chuvstvitel'nosti. Geliotekhnika, 1972, no. 3, pp. 32 – 38. (In Russ.)
23. Emel'yanov V. M., Mintairov S. A., Kalyuzhnyi N. A., Lantratov V. M. Vneshnij kvantovyj vyhod fotootveta kaskadnyh solnechnyh elementov. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. Fiziko-matematicheskie nauki = St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 2009, vol. 2, no 77, pp. 14 – 23. (In Russ.)
24. Vasil'ev A. M., Landsman A. P. Poluprovodnikovye fotopreobrazovateli [Semiconductor photo converters]. – M.: Sovetskoe radio, 1971. 248 p. (In Russ.)
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.
Review
For citations:
, , , . Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2025;28(1). https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202412.628
Email this article 