《Materials Today Energy》：Silicon’s cosmic comeback: Temperature-dependent performance and radiation stability of ultra-thin silicon heterojunction solar cells for space applications
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超薄硅异质结（SHJ）电池在太空环境下的低温性能及电子辐照效应研究表明，50μm厚度SHJ电池在-20℃至80℃范围内特定功率最优，辐照后经80℃退火可实现部分性能恢复，其低温效率衰减机制与无异结结构存在显著差异。
安赫·胡伊·图安·莱（Anh Huy Tuan Le）|安德烈·奥古斯托（André Augusto）|齐藤仁（Hitoshi Sai）|松井拓也（Takuya Matsui）|大岛武（Takeshi Ohshima）|佐藤信一郎（Shin-ichiro Sato）|中村哲也（Tetsuya Nakamura）|普拉迪普·巴拉吉（Pradeep Balaji）|扎克·E·洛奇（Zac E. Lorge）|约翰·罗德里格斯（John Rodriguez）|齐夫·哈梅里（Ziv Hameiri）
新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院，澳大利亚悉尼，新南威尔士州2052
摘要
随着对成本效益高的卫星需求的增长，人们对用于太空任务的硅（Si）电池重新产生了兴趣。然而，这些电池在辐射作用下会遭受显著的性能损失，而使用超薄晶圆可以减轻这一问题。最近，超薄硅异质结（SHJ）电池成为低成本、轻量级卫星的理想候选者。因此，了解这些电池在太空相关温度和零空气质量条件下的行为（电子辐照前后）至关重要。本研究考察了在这种条件下超薄（50 μm）SHJ电池的温度依赖性性能，并将其与180 μm SHJ电池及无异质结结构的电池进行了比较。我们发现，无论晶圆厚度如何，SHJ电池在低温下的性能都会急剧下降，这主要是由于填充因子降低所致；而无异质结结构的电池则表现出随温度下降而线性提升的性能。值得注意的是，经过80°C退火处理后的辐照超薄SHJ电池具有自修复能力，即使在太空中的电子辐照下也能部分恢复性能。此外，其比功率在-20°C至80°C范围内超过了其他结构。已建立的模型能够再现实验趋势，为理解其低温行为提供了更深入的见解。这些发现揭示了SHJ电池的低温性能阈值，并强调了其在太空应用中评估和优化的重要性。
引言
太阳能电池是太空应用中至关重要的电源，为航天器、卫星及其他太空相关系统提供电力[1]、[2]。在太空中，这些电池面临着恶劣的真空环境、强烈的辐射以及极端的温度变化[1]。因此，它们必须被设计和制造成能够在这些条件下保持高性能。除了性能之外，太阳能电池还必须轻便紧凑，因为这些因素在太空任务中通常受到质量和体积限制[1]。
自1958年美国发射第一颗太阳能卫星“先锋1号”（Vanguard 1）以来，硅（Si）太阳能电池几乎是近二十年来太空器的主要电源[3]。到了20世纪70年代末，基于砷化镓（GaAs）的太阳能电池因其卓越的性能和抗辐射能力而取代了硅基电池[3]。1977年“导航技术卫星2号”（NTS-2）的发射标志着依赖GaAs基太阳能电池的卫星开始投入使用[4]。20世纪90年代，光伏技术取得了重大进展，最终开发出了基于III-V族半导体合金的多结太阳能电池，用于太空应用[2]。这些太阳能电池至今仍主导着该市场[2]。然而，由于对成本效益高的卫星需求不断增加，硅太阳能电池因其经济性而重新受到关注，市场份额也在增长[2]。不幸的是，这些电池会受到辐射损伤的严重影响，导致在低地球轨道（LEO）暴露十年后的相对效率损失达到35%至40%，与初始效率相比[2]、[5]。这一限制使其仅适用于短期太空任务。普遍认为，辐射损伤会显著缩短载流子的扩散长度，从而影响电池效率[2]、[5]。因此，使用超薄晶圆有望解决这一问题。采用超薄晶圆的太阳能电池还能提高比功率，这对于需要在太空应用中优化重量和性能的设计来说是一个关键优势[2]。此外，超薄电池还具有灵活性，特别适合需要在卫星系统中适应不同光照条件的应用[2]。
在使用超薄硅晶圆制造太阳能电池时，电池性能对表面复合效应更为敏感[6]。因此，具有优异表面钝化效果的电池结构非常理想。在当前商用硅基太阳能电池技术中，硅异质结（SHJ）电池是一个特别合适的候选者，其开路电压（Voc）可达到761 mV[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。近年来，成功开发出了基厚在40 μm至60 μm之间的超薄SHJ太阳能电池[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这些电池表现出高达26.06%的Voc和效率[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。从工业角度来看，SHJ结构比其他硅基架构（如隧道氧化物钝化接触（TOPCon）电池）更简单、更实用[17]。重要的是，SHJ工艺本身的低热预算减少了制造过程中的热应力。因此，超薄SHJ电池有望成为未来几年小型、轻量且成本效益高的卫星的动力来源。
如前所述，太阳能电池在太空中面临严峻的条件，其工作温度会根据光照强度和航天器或卫星的位置而显著变化[1]、[18]。在特定情况下，暴露在阳光下的太阳能电池的工作温度差异很大：国际空间站为58°C至87°C[19]，火星为-49°C至2°C[20]，木星为-140°C至-125°C[21]。这些范围与标准测试条件（STC；在1.5全球空气质量（AM1.5G）太阳光谱下，温度为25°C，辐照度为1,000 W/m2）大相径庭，而标准条件通常用于表征和优化太阳能电池。因此，需要研究这些电池在广泛工作温度范围及零空气质量（AM0）光谱（太空中的光谱照明）下的性能，包括辐照前后的表现。迄今为止，尚未有关于超薄SHJ电池在这些条件下的性能报告。
在本研究中，我们考察了在AM0光谱下，基厚为50 μm的超薄SHJ电池在-140°C至80°C范围内的温度依赖性性能。随后建立了模型来阐明这些电池的温度依赖性特性，并将其与基厚为180 μm的SHJ电池以及同一温度范围内的其他无异质结结构的电池进行了对比分析。此外，这些电池还接受了1 MeV电子辐照，辐照剂量为1014 e/cm2。分析了这种辐照对其温度依赖性性能的影响。辐照后还进行了退火处理以评估电池性能的恢复情况。最后，计算了这些电池的比功率，并详细讨论了其温度依赖性。
章节摘录
样品制备
本研究研究了两种不同类型的超薄和标准厚度电池，分别由两个合作伙伴提供，称为SHJ-1和SHJ-2。
研究使用了6英寸的n型Czochralski晶圆，其体电阻率为2–4 Ω?cm，厚度为200±10 μm。这些晶圆通过氢氧化钾溶液处理后厚度分别减至180±5 μm和50±3 μm（对应于标准厚度和超薄电池），随后进行了三步清洗流程
在AM0光谱下超薄SHJ太阳能电池的温度依赖性性能
图S3(a)-(b)展示了SHJ-1和SHJ-2组代表性超薄电池在不同温度下的光照-J-V曲线。在两种情况下，电池性能都对温度非常敏感，尤其是在0°C以下。随着温度的降低，性能显著下降，尤其是在SHJ-1组的电池中更为明显。
从图S3的光照-J-V曲线中提取了超薄SHJ电池的电参数
结论
本研究在AM0光谱下，研究了超薄SHJ电池在-140°C至80°C范围内的温度依赖性性能，并将其与180 μm厚的SHJ电池和同质结电池结构的性能进行了比较。值得注意的是，我们的发现表明，无论晶圆厚度如何，SHJ电池在低温（0°C以下）的效率都有显著下降
CRediT作者贡献声明
安德烈·奥古斯托（André Augusto）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。齐藤仁（Hitoshi Sai）：撰写 – 审稿与编辑，研究，概念构思。松井拓也（Takuya Matsui）：撰写 – 审稿与编辑，研究。大岛武（Takeshi Ohshima）：撰写 – 审稿与编辑，研究。佐藤信一郎（Shin-ichiro Sato）：撰写 – 审稿与编辑，研究。中村哲也（Tetsuya Nakamura）：撰写 – 审稿与编辑，研究。普拉迪普·巴拉吉（Pradeep Balaji）：研究。扎克·洛奇（Zac Lorge）：研究。约翰·罗德里格斯（John Rodriguez）：撰写 –
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：齐夫·哈梅里（Ziv Hameiri）表示获得了澳大利亚可再生能源机构的财务支持。安德烈·奥古斯托（Andre Augusto）表示获得了瑞典能源机构的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Gaia M. N. Javier（新南威尔士大学）在填充因子分析方面的帮助。本研究得到了澳大利亚政府的资助，通过澳大利亚可再生能源机构（ARENA；项目2022/TRAC001）的支持。本文表达的观点不一定代表澳大利亚政府的立场，澳大利亚政府不对其中包含的任何信息或建议负责。作者还感谢瑞典太阳能研究中心的资助
