技术领域
[0001] 本
发明涉及基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，属于太阳电池微
电子技术领域。
背景技术
[0002] 单晶Si太阳电池是光电转换效率最高的
硅基太阳电池，相比于效率更高的砷化镓(GaAs)太阳电池具有成本低
质量轻的优势，因此广泛应用于低成本小型
航天器电源系统中。目前
单晶硅太阳电池的制备技术已基本成熟，但随着航天事业迅猛发展，太阳电池将面临更复杂的空间服役环境，这要求航天器空间电源系统具备更长的服役时间，而现有单晶硅太阳电池无法满足使用要求。由于影响空间太阳电池性能的最主要环境因素是空间带电粒子(不同
能量电子/质子)辐照环境，因此需要针对如何提高抗辐照性能对单晶Si太阳电池进一步优化。
[0003] 空间辐照效应中对单晶硅太阳电池影响最严重的是位移
辐射损伤。入射粒子与靶材
原子相互作用，导致靶材原子晶格点阵发生变化(局部)而产生位移辐射效应。当入射粒子与靶材原子发生交互作用时，可在靶材中产生空位、间隙原子及相关
缺陷等体损伤。这些间隙原子和空位会再次发生交互作用，形成更为复杂的缺陷。其涉及的物理过程比较复杂，最终的结果是形成复合中心。以单晶Si太阳电池为例，辐射缺陷主要是导致有源区内的有效载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区内的有效载流子浓度大幅降低，有效载流子寿命降低，从而造成I-V特性的退化。能够产生位移损伤的带电粒子辐照注量越大，在单晶Si材料内形成的复合中心数量越多，造成的性能退化也就愈加严重。
[0004] 因此，针对以上不足，需要提供一种方法，使太阳电池在空间带电粒子辐照环境中内部的位移辐射缺陷能够保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高单晶Si太阳电池的抗辐照能
力。
发明内容
[0005] 针对现有太阳电池由于空间带电粒子的辐照会产生辐照缺陷，进而造成太阳电池I-V特性退化的问题，本发明提供一种基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法。
[0006] 本发明的一种基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，其特征在于，它包括以下步骤：
[0007] 步骤一：根据原单晶Si太阳电池的结构参数，确定离子的欲注入
位置，并根据欲注入位置模拟确定离子的能量和射程；
[0008] 步骤二：将所述离子注入原单晶Si太阳电池，模拟离子注入过程中的目标I-V变化曲线，当目标I-V变化曲线的变化量小于原单晶Si太阳电池I-V变化曲线的10％时，记录离子注入量；
[0009] 步骤三：根据离子的能量和离子注入量，计算
离子注入机的离子源
电压、离子束
电流和离子注入时间；
[0010] 步骤四：设置离子注入机，并通过离子注入机对原单晶Si太阳电池进行离子注入；
[0011] 步骤五：对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行
退火处理，实现对原单晶Si太阳电池的抗位移辐照加固。
[0012] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述原单晶Si太阳电池的结构参数包括原单晶Si太阳电池各部分的材料、
密度、掺杂浓度及厚度。
[0013] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述离子为硅离子。
[0014] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述离子源电压V的计算方法为：
[0015]
[0016] 式中E为离子的能量，C为离子电荷量。
[0017] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述离子束电流I和离子注入时间t的确定方法为：
[0018]
[0019] 式中Φ为离子注入量，q为单位电荷电量。
[0020] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述离子注入时间t大于5分钟。
[0021] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述步骤五中对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行退火处理的退火
温度为300℃-400℃。
[0022] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，所述步骤五中对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行退火处理的退火时间为0.5分钟到1分钟。
[0023] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，步骤一中确定离子的能量和射程通过SRIM
软件模拟实现。
[0024] 根据本发明的基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，步骤二中的模拟过程通过TCAD软件模拟实现。
[0025] 本发明的有益效果：本发明方法通过在单晶Si太阳电池基区衬底深层注入离子的方式，人为地向太阳电池内部引入缺陷陷阱，可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使太阳电池在受到空间带电粒子辐照后，内部的位移辐射缺陷能够保持稳定，而不会因辐射注量的增大而明显变化，从而可提高单晶Si太阳电池的抗辐照能力，保持太阳电池I-V特性的稳定。
[0026] 经实验验证，采用本发明方法处理的单晶Si太阳电池与现有单晶Si太阳电池进行对比，抗辐照能力可提高约3-4倍。
附图说明
[0027] 图1是本发明所述基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法的示例性
流程图；
[0028] 图2是向原单晶Si太阳电池深层注入离子的示意图；图中1表示
电极，2表示有源区，3表示衬底；向下的箭头表示离子注入；
[0029] 图3是单晶Si太阳电池样品未离子注入和深层离子注入后的抗辐照能力对比图。
具体实施方式
[0030] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0033] 具体实施方式一、结合图1及图2所示，本发明提供了一种基于衬底深层离子注入的单晶Si太阳电池抗位移辐照方法，包括以下步骤：
[0034] 步骤一：根据原单晶Si太阳电池的结构参数，确定离子的欲注入位置，并根据欲注入位置模拟确定离子的能量和射程；
[0035] 步骤二：将所述离子注入原单晶Si太阳电池，模拟离子注入过程中的目标I-V变化曲线，当目标I-V变化曲线的变化量小于原单晶Si太阳电池I-V变化曲线的10％时，记录离子注入量；
[0036] 步骤三：根据离子的能量和离子注入量，计算离子注入机的离子源电压、离子束电流和离子注入时间；
[0037] 步骤四：设置离子注入机，并通过离子注入机对原单晶Si太阳电池进行离子注入；
[0038] 步骤五：对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行退火处理，实现对原单晶Si太阳电池的抗位移辐照加固。
[0039] 本实施方式的步骤一中，离子的欲注入位置包括离子的注入深度及方位，根据结构参数确定注入位置后，可以采用相应的软件模拟确定所需待注入离子的能量和射程；步骤二中，在向原单晶Si太阳电池注入离子的过程中，随着离子注入量的改变，根据离子的能量和射程实时模拟目标I-V变化曲线的变化量，选取I-V曲线变化量小于10％，是为了避免对太阳电池的输出电性能造成太大影响；步骤三中，确定离子的能量和离子注入量后，可以对相应的离子注入机进行设置，进而实施离子注入过程，可改善原单晶Si太阳电池的抗位移辐照性能，从而实现对原单晶Si太阳电池的性能加固。
[0040] 本发明方法中，在单晶Si太阳电池基区衬底一定深度范围内，例如距离电池有源区界面10nm-20nm的厚度内，通过离子注入的方式人为地引入缺陷陷阱，可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使太阳电池内部的位移辐射缺陷保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高单晶Si太阳电池的抗辐照能力。因此，本发明方法有利于提高单晶Si太阳电池抗位移辐照能力。
[0041] 进一步，结合图2所示，所述原单晶Si太阳电池的结构参数包括原单晶Si太阳电池各部分的材料、密度、掺杂浓度及厚度。
[0042] 通常单晶Si太阳电池的结构包括衬底、有源区及电极，所述离子需要注入到衬底层，注入在衬底层与有源区界面相距10-20nm范围内，可增加离子注入引入缺陷俘获载流子的概率。
[0043] 作为示例，所述离子为硅离子。向单晶Si太阳电池注入硅离子，确保只是引入缺陷，避免离子注入后改变原单晶Si太阳电池内部的掺杂类型和浓度，并不改变衬底材料性质。
[0044] 进一步，所述离子源电压V的计算方法为：
[0045]
[0046] 式中E为离子的能量，单位为eV；C为离子电荷量。
[0047] 再进一步，所述离子束电流I和离子注入时间t的确定方法为：
[0048]
[0049] 式中Φ为离子注入量，q为单位电荷电量。所述离子注入时间t即为辐照时间，即离子注入机运行时间。
[0050] 对于离子束电流I和离子注入时间t的确定可通过均衡考虑来确定具体数值。
[0051] 再进一步，所述离子注入时间t大于5分钟。通常离子注入时间应大于5分钟，以避免由实验操作时间所带来的注入量误差，从而控制离子注入误差量小于总注入量的1％。
[0052] 再进一步，所述步骤五中对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行退火处理的退火温度为300℃-400℃，此温度范围去
应力和重结晶效果最佳。
[0053] 再进一步，所述步骤五中对完成离子注入的单晶Si太阳电池进行退火处理的退火时间为0.5分钟到1分钟，一方面能够达到离子注入后衬底材料重结晶的效果，另一方面由退火处理所产生的热效应不足以影响其他功能结构。
[0054] 作为示例，步骤一中确定离子的能量和射程通过SRIM软件模拟实现。所述SRIM软件，全称The Stopping and Range of Ions in Matter，由James Ziegler编制，是国际上常用的粒子与材料交互作用模拟软件。该软件为开源软件，即公开源代码。其作用是模拟粒子在材料中的运动及作用方式，可以计算粒子在材料中的能量损失、射程、碰撞截面等信息。
[0055] 作为示例，步骤二中的模拟过程通过TCAD软件模拟实现。所述TCAD软件，全称为Technology Computer Aided Design，
半导体工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国Silvaco公司。其作用是通过设定器件的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来
模拟器件的电性能及内部状态。
[0056] 经本发明退火处理后的单晶Si太阳电池实现了抗位移辐照加固。
[0057] 本发明的工作原理：
[0058] 空间带电粒子会在太阳电池内部产生多种辐射损伤，其中位移辐射损伤对其输出电性能影响最为严重。位移辐射损伤会在太阳电池内部产生空位、间隙原子等缺陷，从而严重地影响太阳电池的性能参数。位移辐射缺陷主要是导致单晶Si太阳电池有源区的载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区的载流子浓度大幅降低，有源区的电导率减小，从而造成正向特性的退化。因此，有源区是单晶Si太阳电池位移辐射损伤的敏感区，严重地受到位移辐射损伤的影响。本发明采用在衬底内深层离子注入的方式有效提高了单晶Si太阳电池的抗辐照能力。
[0059] 采用本发明所述方法对单晶Si太阳电池进行抗位移辐照加固，并将加固后的器件与未进行抗位移辐照加固的单晶Si太阳电池同时进行辐照对比，如图3所示。本实验选用Si离子辐照源，
剂量率为1rad/s，总剂量为100krad，选择100krad处，单晶Si太阳电池的I-V特性变化量归一化结果(正向电压1V处的正向电流)作为抗辐射能力判据。由图3可见，与未加入抗辐照加固的单晶Si太阳电池相比，经过本发明所述方法加固后的晶体管抗位移辐照能力提高约3.42倍。因此本发明方法，可以大大减小位移辐射缺陷对太阳电池性能的影响，提高单晶Si太阳电池的抗辐照能力。
[0060] 本发明采用现有的SRIM软件和TCAD软件，对单晶Si太阳电池进行性能仿真，有效地缩短了参数的确定时间与程序，能够快速的确定离子注入所需参数。
[0061] 本发明方法既可用于对现有的单晶Si太阳电池进行抗辐照加固，也可以在单晶Si太阳电池的生产过程中进行，直接生产出具有抗位移辐照性能的单晶Si太阳电池，可优化了单晶Si太阳电池的抗辐照性能，是一项重要的抗位移辐照加固技术。
[0062] 综上所述，经本发明所述方法加工后的单晶Si太阳电池有效实现了抗位移辐照加固，具有更可靠的抗位移辐射损伤能力。
[0063] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多
修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附
权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的
从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
