质子辐照下零衰减！超薄玻璃封装柔性三结电池

III-V 族多结太阳能电池以其极高的光电转换效率与优异的抗辐照性能，成为航天电力系统的理想选择，但在高辐射环境中仍需厚实的防护封装以抵御高能粒子造成的器件退化。

传统刚性玻璃防护罩虽可提供有效保护，但会大幅增加模组重量并降低电池阵列的机械柔韧性，导致功率重量比下降，难以应用于轻量化或可展开式的空间结构。

相反地，未经封装的柔性器件在遭遇空间环境中的质子或电子辐照时，材料内部会累积大量晶格位移缺陷，造成开路电压(Voc)与短路电流密度(Jsc)快速衰退。

研究团队通过倒装磊晶(IMM)技术生长InGaP/GaAs/InGaAs 三结太阳能电池外延结构，并经由选择性湿法刻蚀将活性层转移接合至轻量化聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料基板上，从而实现极高的功率重量比与动态弯折耐受度。

为解决航天环境中的辐照损伤与极端条件稳定性不足问题，研究团队进一步引入厚度仅 100 μm 的无碱超薄玻璃(UTG)作为柔性物理屏障，通过光固化粘合剂将其层压于太阳能电池表面。

此设计策略的关键在于保持器件可弯折性的同时，利用 UTG 材料本身的高致密度与抗辐射特性，全面阻挡 1 MeV 高能质子与电子对 III-V 族吸收层及金属接触界面的破坏。

通过成分梯度变化的 InAlGaAs 缓冲层实现近乎完全应变释放的 InGaAs 底层电池，在 AM0 空间标准光谱下，未封装器件达到 31.7% 的光电转换效率(PCE)，Voc高达2.96 V (图 5a)。

采用 100 μm 超薄玻璃(UTG)封装后，虽然因光学穿透与反射损耗使 AM0 条件下的 PCE 略降至 29.5%，但器件获得了极佳的辐照防护(图 5a)。

在经历通量达 10-14 p/cm² 的 1 MeV 质子辐照后，未封装器件的 PCE 几乎衰退至零，而 UTG 封装器件的 PCE 退化率为 0%，有效抑制了高能粒子诱发的非电离能损失(NIEL)与晶格破坏(图 5e 与表 1)。

柔性器件在 0.67 cm⁻¹ 的弯曲曲率下经历 1000 次连续动态弯折循环，其 Voc、Jsc 与填充因子(FF)等关键性能无明显衰减，证明了外延层与金属接触网格在形变应力下具有高度的机械可靠性(图2e)。

该研究由韩国科学技术研究院(KIST)与汉阳大学等学术机构共同开展，通讯作者为 Ho Kwan Kang、Sung-Min Lee 与 Won Jun Choi。研究成果已发表于光电与能源领域权威期刊《Advanced Energy Materials》

为精确评估三结电池在无大气层过滤的空间环境下的基础输出能力，研究团队在 AM0 标准光谱下测量了器件的 J-V 输出曲线。

测试结果表明，未封装初始器件的 Voc 为 2.96 V、Jsc 为 17.1 mA/cm²、FF 为 85.5%，整体 PCE 达到 31.7%(图 5a)。

当加上 UTG 封装后，由于玻璃材料在光谱传输中产生了微小的穿透损耗，传递至底层电池的短路电流密度(Jsc)略微下降至 16.6 mA/cm²，封装后的PCE 变为29.5%。

尽管存在微小光学损耗，此测量数据清晰证实了 UTG 封装器件仍能维持符合航天高功率应用需求的高电压与高效率稳态输出。

为验证空间高辐射环境下器件的长期可靠性，研究团队对电池施加了通量最高达 10-14 p/cm² 的 1 MeV 质子辐照，以及等通量的 1 MeV 电子辐照。

未封装器件在质子辐照下，因氢原子核具有较大质量，会对 III-V 族材料造成严重的非电离能损失(NIEL)与深层晶格位移损伤。

这些辐射诱发的晶格缺陷会转化为强烈的非辐射复合中心，导致光生载流子寿命大幅缩短，最终使器件的 Voc 与 Jsc 崩溃，PCE 衰退至零(图 5e)。

相对地，UTG 封装器件在同等高通量质子辐照下的性能保持率接近 100%，在电子辐照下的退化幅度也极微小(表 1)。

这项对比观察清晰表明 UTG 层能作为高效的物理遮蔽层，大幅减缓高能粒子对半导体晶格与金属接触界面的破坏。

为确保 InGaAs 底层电池的外延质量不会因晶格失配而产生过多缺陷，研究团队采用透射电子显微镜(TEM)与电子通道衬度成像(ECCI)精确观察结构内部的位错分布。

截面影像清晰显示，高密度的穿透位错(TDs)被有效限制在InAlGaAs 梯度缓冲层的初始生长区域内，无法向外延伸，使得顶部外延层的穿透位错密度极低，数值仅约为 3.8 × 10⁶ cm⁻²(图 1c 与图 1d)。

此外，研究团队通过对称与非对称的倒易空间映射图(RSM)分析，计算出 InGaAs 底层电池的应变释放程度高达 97.8%(图 1e)。

这表明缓冲层的成分梯度设计成功消除了异质外延过程中的残余应力，为实现高电压与高电流匹配奠定了无缺陷的材料基础。

该研究成功建立了一个兼具高转换效率、高功率重量比与极佳抗辐照能力的 InGaP/GaAs/InGaAs 柔性三结太阳能电池平台。

超薄玻璃(UTG)封装技术在付出可接受的微小光学损耗代价下，不仅完美抵御了 1 MeV 高能质子带来的致命辐照损伤，更维持了器件动态弯折的机械稳定性。

此设计理念有效解决了传统空间光伏器件在轻量化柔韧度与严苛辐照防护之间难以兼顾的工程限制。

后续的工程开发可针对顶层金属网格设计与抗反射层结构进行进一步优化，以降低当前的面积遮蔽损耗并持续提升实用航天模组的极限光电效率。