高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法

技术邻域

本发明属于星载电池技术领域，具体涉及一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法。

背景技术

高功率微波(high power microwave，HPM)是强电磁脉冲(electromagneticpulse，EMP)的一种重要形式，具有高频率、高功率和广作用域的特点。作为“束能武器”时，它极易通过耦合途径进入电子系统，造成半导体元器件故障甚至永久性失效。且高功率微波在长距离无线电力传输(Wireless power transfer，WPT)中相较于激光等其它传输介质有着更高的转化效率和稳定性(尤其针对2.4GHz与5.8GHz的传输频率)。在太空中存在高微波，而大型空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS)采用砷化镓太阳能电池，保证砷化镓太阳能电池在空间高功率微波环境中能够稳定工作非常重要。

由于高功率微波更容易通过前端设备(如天线等)耦合进入到电子系统内部，而只有很小的几率通过耦合设备线缆(如电源线、地线等)反向注入到太阳能电池板中，甚至只有当卫星前端其他部件已经被高功率微波完全摧毁时，才可能最后注入到太阳能电池中。大型太空站的建立必须依赖于空间太阳能电站，高功率微波正给空间砷化镓基太阳能电池带来前所未有的正面威胁，对空间太阳能电池的研究分析成为重中之重。

因此，亟待一种对空间太阳能电池的可靠性分析方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法，所述分析方法包括：

本发明提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法包括：

基于砷化镓太阳能电池的各层结构以及材料，构建砷化镓太阳能电池的结构模型；

将砷化镓太阳能电池的每一层材料通用参数以及各层材料的掺杂参数输入结构模型，获得砷化镓太阳能电池的等效模型；

其中，材料通用参数包括复杂折射率与量子产率，掺杂参数包括：材料厚度、掺杂水平以及摩尔组分；

在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图；

基于内部峰值温度以及瞬态的温度分布图，确定高功率微波与重离子同时对砷化镓太阳能电池造成的热损伤机理。

可选的，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子包括：

在预设的模拟工作条件下，当等效模型的内部温度达到峰值状态时，向等效模型中表示砷化镓基太阳能电池的阴极金属端口注入高功率微波信号以及在阴极金属线的预设范围内注入重离子。

可选的，预设的模拟工作条件为：等效模型的入射光谱为地球大气表面太阳光谱，入射太阳光电流功率P

其中，预设范围为0～1μm。

量子产率为：

复杂折射率为：

n＝n

k＝k

其中，η

可选的，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图之前，分析方法还包括：

将等效模型按照内部电流密度划分为三个量级的有限元网格；

其中，不同量级的有限元网格的面积大小不同。

可选的，将等效模型按照内部电流密度划分为三个量级的有限元网格包括：

将阴极金属线及其预设范围内的结区划分为第一量级的有限元网格；

将阴极附近其他非结区划分为第二量级的有限元网格；

将除第一量级以及第二量级划分的其他区域划分为第三量级的有限元网格；

其中，第一量级为0.00005～0.0002μm

可选的，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图包括：

在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，在等效模型中确定最高峰值温度，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势；

获取每个有限元网格的温度组成及瞬态的温度分布图。

本发明提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法，通过基于已获取的砷化镓太阳能电池的各层结构以及材料，构建砷化镓太阳能电池的结构模型；将砷化镓太阳能电池的每一层材料通用参数以及各层材料的掺杂参数输结构模型获得等效模型；在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，得出内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图，进一步确定高功率微波与重离子同时对砷化镓太阳能电池造成的热损伤机理。由于本发明同时引入了高功率微波与重离子叠加注入后产生的相互作用，从而可以评估空间三结砷化镓太阳能电池在高功率微波注入下的重离子效应，更加准确的确定砷化镓太阳能电池的热损伤机理。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法的流程图；

图2为本发明实施例中提供的空间三结砷化镓太阳能电池模拟域提取的三维示意图；

图3为本发明实施例中所提取的标准空间三结砷化镓太阳能电池结构模型的三维示意图；

图4为本发明提供的高功率微波从砷化镓太阳能电池阴极端口注入以及重离子从阴极金属线附近注入的示意图；

图5为本发明实施例中空间三结砷化镓太阳能电池的I-V与P-V特性曲线分布图；

图6为本发明实施例中模型的有限元网格模型的示意图；

图7为本发明提供的利用Sentaurus-TCAD对空间三结砷化镓太阳能电池进行高功率微波注入下的重离子效应仿真流程示意图；

图8为本发明提供的叠加注入高功率微波与重离子时，器件内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

请参见图1，图1是本发明提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法的流程图，本发明提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的分析方法包括：

步骤1，基于砷化镓太阳能电池的各层结构以及材料，构建砷化镓太阳能电池的结构模型。

参考图2与图3所示，图2是空间三结砷化镓太阳能电池模拟域提取的三维示意图，图3是空间三结砷化镓太阳能电池模拟域提取的三维示意图，通过三维视图以及各层的结构图，模拟出空间三结砷化镓太阳能电池的结构模型。由于三结砷化镓太阳能电池的各层材料不同，各层材料以及掺杂参数详见表1。

表1标准三结砷化镓太阳能电池模型厚度掺杂

由于其生产制作流程完全遵循传统半导体制造工艺，本发明对砷化镓太阳能电池板(不限于三结砷化镓太阳能电池板具有一般性)进行了部分等效切割，可视其为一种特殊的多层多结光伏器件。且定义了空间三结砷化镓太阳能电池二维结构模型的层级厚度以及不同层的砷化镓基材料的N型掺杂与P型掺杂。且在提取并搭建砷化镓太阳能电池模型时，考量了两个重要设计要素：其一，前表面场层的厚度要小于0.5μm；其二，阴极扩散电场结的高度要低于1μm。前者确保了较低的入射光吸收损耗，并能最小化前表面场的光生少数载流子复合；后者则提高了其抗射线辐照的能力。

步骤2，将砷化镓太阳能电池的每一层材料通用参数以及各层材料的掺杂参数输入结构模型，获得砷化镓太阳能电池的等效模型；

其中，材料通用参数包括复杂折射率与量子产率，掺杂参数包括：材料厚度、掺杂水平以及摩尔组分；

本发明实施例的砷化镓太阳能电池的Ga

其中，量子产率为：

复杂折射率为：

n＝n

k＝k

其中，η

从上式可以看出，实部n由基础折射率n

Δn

Δk

Δn

其中，借由计算机TCAD仿真工具对上述公式进行牛顿迭代计算并拟合出的参数系数包括C

步骤3，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图；

本步骤在注入之前需要验证所建立模型的可靠性，并对该等效模型进行幅值5V，频率5GHz，初始相位为零的高功率微波，与重离子叠加注入的仿真。

步骤4，基于内部峰值温度以及瞬态的温度分布图，确定高功率微波与重离子同时对砷化镓太阳能电池造成的热损伤机理。

本发明提供的一种高功率微波及重离子注入的空间太阳能电池的可靠性分析方法，通过基于已获取的砷化镓太阳能电池的各层结构以及材料，构建砷化镓太阳能电池的结构模型；将砷化镓太阳能电池的每一层材料通用参数以及各层材料的掺杂参数输入到结构模型中并获得等效模型；在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，得出内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图，进一步确定高功率微波与重离子同时对砷化镓太阳能电池造成的热损伤机理。由于本发明同时引入了高功率微波与重离子叠加注入后产生的相互作用，从而可以评估空间三结砷化镓太阳能电池在高功率微波注入下的单粒子效应，更加准确地确定砷化镓太阳能电池的热损伤机理。

实施例二

作为本发明一种可选的实施例，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子包括：

在预设的模拟工作条件下，当等效模型工作在峰峰值状态时，向等效模型中表示砷化镓基太阳能电池的阴极金属端口注入高功率微波信号以及在阴极金属线的预设范围内注入重离子。

其中，预设的模拟工作条件为：等效模型的入射光谱为地球大气表面太阳光谱，入射太阳光电流功率P

参考图4，在光源的照射下，通过调节阴极线与阳极板之间的可调电阻，可以改变偏置电压，从而使其工作在峰峰值状态，之后，分别对向等效模型中表示砷化镓基太阳能电池的阴极金属端口注入高功率微波信号以及在阴极金属线的预设范围内注入重离子。

可以理解，本实施例从阴极金属线端口注入高功率微波信号，贴合实际微波通过后端地线耦合注入的情况，而阳极端口则为一大块金属板，微波难以耦合注入，即使注入也容易被打散，故不被选择。重离子注入也选取阴极金属线附近(0～1μm)电流密集区域作为注入点，这是由于电池阴极金属线吸收转化光生载流子为短路电流，因而其附近电流密度大，从该范围注入重离子，容易引发雪崩倍增效应。

本发明砷化镓各层材料的复杂折射率与量子产率，对结构模型进行了光注入，得到正确的I-V与P-V特性曲线，如图5所示，验证了所建立模型的可靠性，这期间计算得到在Ga

表2砷化镓太阳能电池性能指标参数结果

上述光电转换效率是砷化镓太阳能电池工作在峰峰值状态下，计算得出的，在该状态下向砷化镓基太阳能电池的阴极金属端口注入高功率微波等效正弦信号：

式中，U

实施例三

作为本发明一种可选的实施例，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图之前，分析方法还包括：

将等效模型按照内部电流密度划分为三个量级的有限元网格；

其中，不同量级的有限元网格的面积大小不同。

作为本发明一种可选的实施方式，将等效模型按照内部电流密度划分为三个量级的有限元网格包括：

将阴极金属线及其预设范围内的结区划分为第一量级的有限元网格；

将阴极附近其他非结区划分为第二量级的有限元网格；

将除第一量级以及第二量级划分的其他区域划分为第三量级的有限元网格；

其中，第一量级为0.00005～0.0002μm

本实施例将阴极金属线及其附近区域内的结区内有限元网格面积划分为第一量级(0.00005～0.0002μm

J

J

其中，J

在强场作用下，该区域结区内电流密度越来越强，产生的焦耳热远大于散热，阴极结区内有限元内计算得出的瞬态温度也越来越高，因而，可推断出峰值温度也位于该区域。此外，阴极附近其他非结区内网格面积划分为第二量级(0.0002～0.001μm

参考图6，在砷化镓电池靠近阴极金属线的PN结区、前后表面场的异质结区以及高低结区,所属区域温度与电流密度波动较大，划分了比较密集的有限元计算网格，利用有限元计算结果得出砷化镓电池内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图，进而可分析得出叠加注入高功率微波与重离子时对其造成的热损伤机理。

实施例四

作为本发明一种可选的实施例，在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势以及瞬态的温度分布图包括：

在等效模型中同时注入高功率微波以及重离子，以使等效模型变化，在等效模型中确定最高峰值温度，得出砷化镓太阳能电池的内部峰值温度随注入脉宽的变化趋势；

获取每个有限元网格的温度组成及瞬态的温度分布图。

本实施例通过合理划分有限元网格并最终计算得到砷化镓太阳能电池内部峰值温度随注入脉宽变化趋势的仿真结果图，以及电池内部瞬态温度分布图，据此，可以分析叠加注入高功率微波与重离子时对砷化镓太阳能电池造成的热损伤。

本发明中的砷化镓太阳能电池可以采用三结砷化镓太阳能电池，在上述空间三结砷化镓太阳能电池模型以及仿真环境条件搭建的基础上，进行不同量级的有限元网格计算获得瞬态的温度分布图。参考图7，图7是本发明实施例中利用Sentaurus-TCAD对空间三结砷化镓太阳能电池进行高功率微波注入下的单粒子效应仿真流程示意图。在进行仿真试验时按照图7所示的流程，建立仿真条件以及仿真试验。

参考图8，砷化镓太阳能电池内部峰值温度的仿真结果图，从图8中可以看出，砷化镓太阳能电池内部峰值温度在高功率微波注入下呈现逐渐上升的趋势，在0.5ns时刻进行离子注入后，阴极附近载流子数目激增。随后，伴随注入的高功率微波注入信号进入负半周期后，在反偏强场以及载流子迁移率饱和退化的影响下，大量载流子汇聚在了砷化镓太阳能电池阳极后表面场异质结区域附近，造成该处强场大电流的情况，产生的焦耳热远大于散热，形成温度急剧攀升的热点，这不仅加剧了器件内部的温度积累，也加速了高功率微波注入下的器件烧毁。

本实施例对空间砷化镓太阳能电池高功率微波注入和单粒子效应进行了同步仿真，得出砷化镓太阳能电池在高功率微波注入下的单粒子效应内部热损伤仿真结果，重离子是单粒子效应的重要组成部分。本发明为进一步探索砷化镓太阳能电池抗高功率微波和宇宙射线的加固防护设计提供了理论依据，并对提升基于高功率微波电力传输的空间太阳能电站可靠性具有较高的参考价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。

对于本发明所属技术邻域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。