刘正新团队(中科院上海微系统所)针对低轨太空高能电子、质子辐照开展地面模拟 + 天舟十号在轨验证,核心结论:太空辐照环境下 P 型硅(尤其 P‑HJT)抗辐照远优于 N 型硅,常规 N‑HJT 辐照后会近乎完全失效。
物理本质:太空粒子造成晶格位移损伤,引入复合中心,少数载流子寿命急剧下降。N 型硅少子是空穴,空穴对辐照缺陷捕获非常敏感;P 型硅少子是电子,对位移损伤缺陷容忍度高得多。
1、N 型硅(N‑HJT,磷掺杂衬底)
地面环境优势:无硼氧 LID 光衰,初始效率高,地面组件表现优秀。
太空辐照致命短板
高能电子 / 质子辐照后,少子(空穴)寿命断崖式下跌;同等辐照注量下功率衰减远大于 P 型样品。
刘正新公开实验:N‑HJT 经过空间等效辐照之后几乎完全失效,不适合直接用于太空场景。
即使薄片化,N 型本征材料缺陷敏感性无法消除,仅靠器件结构很难补救。
2、P 型硅(镓掺杂 P‑HJT,团队主推路线)
辐照衰减特征
同等高能电子、质子辐照条件:功率保留显著高于 N 型;1MeV 电子辐照下抗辐照能力可达 N 型数倍~10 倍,质子辐照敏感度低 3‑8 倍。
少子是电子,对辐照引入的位移缺陷捕获概率低,少子寿命维持能力强,不会快速垮掉。
薄片化增益(刘正新重点强调)
硅片减薄(60‑110μm,团队天舟十号样品约 60μm)可以降低辐照损伤累计浓度,进一步压低辐照衰减,同时实现轻量化、柔性可卷曲,适配商业航天巨型星座中国科学院...。
P‑HJT 组合优势:P 硅基底抗辐照 + 非晶硅本征层优异钝化,解决传统 P 型电池效率天花板,兼顾抗辐照 + 高初始效率 + 柔性轻薄 + 低成本,是硅基太空光伏最有前景路线。
3、核心对比简表(刘正新团队视角)
| 项目 | N 型硅 / N‑HJT | P 型硅 / P‑HJT(Ga 掺杂) |
|---|---|---|
| 地面初始效率 | 高 | 较高,HJT 可拉到 26.5%+ |
| 地面光致衰减 | 几乎无 | BO‑LID,镓掺杂可消除 |
| 太空高能粒子辐照衰减 | 衰减剧烈,等效辐照后近乎失效 | 衰减显著更慢,EOL 末期功率保留高 |
| 少子类型 | 空穴(对辐照缺陷高度敏感) | 电子(对位移损伤缺陷容忍高) |
| 薄片化收益 | 收益有限 | 收益明显,越薄抗辐照相对越好 |
| 太空适用性 | 不推荐直接空间应用 | 硅基太空光伏优选路线 |
| 成本 | 高 | 供应链成熟,远低于三结砷化镓 |
4、边界条件与补充
砷化镓三结电池依旧是高可靠长寿命航天基准,抗辐照最优,但成本昂贵,不适合大规模巨型星座;P‑HJT 定位是低成本替代方案,面向商业航天低轨卫星。
P 型必须优先采用镓掺杂,不能用传统硼掺杂 P 型;硼‑氧复合体虽然在太空无光致衰减,但材料缺陷特性不如 Ga 掺杂硅片,是微系统所专利重点全国科技企...。
天舟十号搭载的就是该所柔性 P 型 HJT 样品,正在在轨实测原子氧、紫外、真实粒子辐照,后续返回后会进一步修正地面模拟和真实太空衰减的差异中国科学院...。
关键机理一句话总结
太空辐照主要伤害来自晶格位移损伤;N 型硅少子是空穴极易被辐照缺陷捕获,P 型硅少子是电子更耐受缺陷,这是 P 型太空性能占优的底层物理原因,和地面环境的性能表现完全反过来。
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