单晶硅太阳能电子辐照损伤的自修复效应与蓝光响应增强机制研究

本研究针对空间应用中单晶硅(c-Si)太阳能电池受高能电子辐照导致性能退化的问题，通过225-900 Gy剂量8 MeV电子辐照实验，结合I-V、EQE、C-V等多维度表征技术，首次发现52个月室温存储后电池出现显著自修复现象及蓝光响应增强，为空间光伏器件可靠性设计提供了新思路。

　　

在太空探索日益频繁的今天，太阳能电池作为航天器能源系统的核心部件，其可靠性直接关系到任务成败。然而，太空环境中高能粒子的持续轰击会导致光伏器件性能急剧退化，这个"太空癌症"长期困扰着航天工程师。单晶硅(c-Si)电池虽成本低廉且技术成熟，但其抗辐射性能远不如III-V族化合物电池，这成为制约其在太空大规模应用的关键瓶颈。更令人困惑的是，部分卫星在轨数据显示某些硅电池存在性能自发恢复现象，但地面模拟研究始终未能破解这一谜题。

中东部技术大学太阳能研究中心(ODTü-GüNAM)的Ismail Kabacelik团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表的研究，首次系统揭示了c-Si电池在电子辐照后的神奇自愈能力。研究人员采用8 MeV电子束模拟太空辐射环境，通过精确控制辐照剂量(225-900 Gy)，结合暗态/光照电流-电压(I-V)、外量子效率(EQE)、电容-电压(C-V)等先进表征手段，追踪电池52个月内的性能演变规律。研究发现，长期存放后电池不仅出现显著自修复，其蓝光响应甚至超越未辐照样品，这一反常现象为开发新型抗辐射光伏器件提供了重要启示。

关键技术方法包括：1)使用Czochralski法生长的p型硅片(硼掺杂5×10¹⁶ cm^-3)制备标准电池；2)采用8 MeV电子加速器进行梯度剂量辐照；3)通过双二极管模型解析I-V曲线中的扩散电流和复合电流分量；4)利用C-V和G/ω-V测量量化辐照诱导的界面态密度变化。

【材料与方法】章节显示，实验选用电阻率1-3 Ω·cm的(100)晶向p型硅片，通过磷扩散形成5×10²⁰ cm^-3浓度的n型发射极，采用SiN_x减反射层结构。这种设计确保了实验结果具有工业可重复性。

【结果与讨论】部分揭示：1)辐照导致效率损失15-40%，主要源于基区缺陷形成的V-C-O(空位-碳-氧)、B_i-O_i(间隙硼-间隙氧)等复合中心；2)52个月后效率恢复达原始值的85-92%，证明室温下存在自发退火效应；3)蓝光响应增强源于SiN_x层中辐射加速的氧氮化物形成，产生额外正电荷改善表面钝化。

【结论】指出：1)电子辐照主要损伤基区而非发射结；2)自修复效果与剂量呈正相关，900 Gy组恢复最显著；3)SiN_x/Si界面化学演变是性能提升的关键。该发现不仅解释了太空硅电池的"神秘康复"现象，更启示可通过可控辐射处理优化钝化层性能，为开发"越用越好"的空间光伏器件提供了全新思路。这项突破性成果将推动抗辐射设计从被动防护转向主动利用缺陷工程的新范式。