纳秒脉冲激光辐照下三结太阳能电池的热机械电耦合模型与损伤分析

《Solar Energy》：Thermal-mechanical-electrical coupling model and damage analysis of triple-junction solar cells under nanosecond pulsed laser irradiation

　　

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  该多物理场模型建立了激光诱发的宏观损伤与微观机制之间的关联。
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  阐明了纳秒级激光对能带结构的微观扰动机制。
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  模拟得到的I-V曲线与实验结果高度吻合，验证了模型的准确性。
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  揭示了瞬态热场与功率衰减之间的内在联系。
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  这些研究结果为提升航天器电源系统的抗毁性提供了理论依据。

引言

太阳能电池是航天器供电的关键组件，其中GaInP/GaAs/Ge三结电池因其超过30%的高光电转换效率而成为主流技术[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。激光具有高单色性、方向性和相干性，为远距离无线能量传输提供了可行方案[6]，美国海军研究实验室在2023年开展的太空无线能量激光传输实验便证明了这一点的可行性[7]。然而，高强度激光照射可能会造成不可逆的损伤，从而影响航天器电源系统的可靠性。因此，深入研究三结太阳能电池的损伤机制对于提升系统抗毁性至关重要。

目前已有大量研究通过实验和理论方法探讨激光诱导的损伤机制。在实验方面，人们广泛使用了表面形貌分析[8]、[9]、[10]、电致发光成像[11]、[12]、[13]、[14]、激光束诱导电流检测[15]、[16]以及电气特性测试等方法。例如，Chang等人[17]建立了形貌缺陷与电气性能退化之间的定量关系，而Li等人[18]则发现累积的激光照射会导致烧蚀效应引发的漏电流，进而使并联电阻下降。在这些退化过程中，热效应的主导作用一直被反复强调[19]、[20]。Guo等人[21]结合电致发光成像、I–V特性测试和表面形貌分析，研究了纳秒脉冲激光对三结GaAs太阳能电池的损伤机制，发现瞬时的能量沉积会通过材料熔化和气化导致电池性能快速下降。

除了实验研究之外，等效电路模型[22]、[23]、[24]、[25]、双温度模型[26]、[27]以及热应力模型[28]、[29]等理论框架也为理解受激光照射器件的宏观行为提供了有益见解。Chen等人[30]建立了一个将热传导与光电转换相结合的物理模型，研究结果表明光电转换效率会随温度升高而近似线性下降。Zhai等人[31]通过将数值模拟与实验数据相结合，发现太阳能电池的初始热状态对其损伤阈值有着重要影响——初始温度较高的区域会吸收更多的热能，从而导致温度分布更加不均匀，进而在高强度光照下加速光伏性能的衰退。Guo等人[32]基于薄膜光学理论建立了多层膜散射模型，用于分析激光对太阳能电池的损伤机制。Jia等人[33]则结合实验观察与位错模型的数值分析，研究了毫秒级脉冲激光作用下硅材料中的热损伤路径。Gu等人[34]通过瞬态温度场模拟，得到了不同激光脉冲强度下硅片表面的瞬时峰值温度。Li等人[35]采用了分阶段模拟策略，并借助水平集方法构建了一个综合的多物理场模型。该模型综合考虑了热传递、流体动力学和相变现象，有助于深入研究三结GaAs太阳能电池的烧蚀演化过程以及基底的热耗散情况。现有研究大多聚焦于宏观结构损伤，而瞬态热演化与微观载流子传输机制之间的相互作用机制仍有待进一步阐明。

本研究通过构建针对GaInP/GaAs/Ge三结电池的激光-热-力学-电学多物理场模型，填补了这一研究空白。该模型通过将热传导方程与漂移-扩散方程及泊松方程相结合，阐明了纳秒级激光引起的温度骤升和热应力如何影响电池内的载流子浓度、复合中心以及内建势垒的稳定性。这一研究为解释所观察到的整流能力下降以及电气性能的异常变化提供了坚实的物理依据。

章节要点

GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池

如图1所示，GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池通过隧穿结将各个子电池串联在一起。从上到下，该电池结构依次为GaInP顶层电池、GaAs中层电池和Ge底层电池[36]。顶层、中层和底层电池的厚度分别为0.74微米、2.66微米和50.06微米，而隧穿结的厚度为0.06微米。该电池的宽度为10毫米，负电极位于上表面，

温度与热应力分布

图8和图9展示了电池结构中温度与热应力的瞬态变化曲线。由于宽禁带GaInP顶层电池对1064纳米波长的吸收系数较低，激光能量会在电池中形成明显的纵向穿透分布。虽然光吸收在照射表面附近会产生体积热源，但最大的热应力却出现在中间层与底层电池的交界处。这种应力

结论

本研究通过多物理场模拟结合实验验证，研究了纳秒脉冲激光照射下GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的损伤机制。研究结果表明，电池的不可逆退化是由局部热积累与热机械失效的共同作用导致的。在较高激光强度作用下，短路电流的增加源于GaInP顶层电池的烧蚀和碎裂，这

作者贡献说明

Quan Xiaoyuan：论文撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验验证、问题研究。Chang Hao：实验验证、软件应用、研究方法设计、问题研究。Zhang Hualiang：正式分析、数据整理。Zhou Weijing：项目监督、资源协调、项目管理。Zhao Zhe：问题研究、正式分析。Jian Zhilong：研究方法设计、问题研究、正式分析。Ma Yingjie：软件应用、问题研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

Xiaoyuan Quan|Hao Chang|Hualiang Zhang|Weijing Zhou|Zhe Zhao|Zhilong Jian|Yingjie Ma