Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP129

70 keV 電子線照射による InGaP および GaAs 太陽電池の性能劣化
PERFORMANCE DEGRADATION OF InGaP AND GaAs CELL BY RADIATION OF
ELECTRON BEAMS AT 70 keV奥野泰希#, A), 奥田修一 B), 小嶋崇夫 B)，岡喬 B), 川北史郎 C)，今泉充 C)，艸分宏昌 C)
Yasuki Okuno#, A), Shuichi Okuda B), Takeo Kojima B), Takashi Oka B),
Shirou Kawakita C), Mitsuru Imaizumi C), Hiroaki Kusawake C)
A)Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture UniversityB)
Osaka Prefecture UniversityC)
Japan Aerospace Exploration Agency

Abstract
Space solar cells are utilized as an electric power source such as a satellite, studied about degradation with radiation. 3junction solar cells (3J) using a Ⅲ-Ⅴcompound semiconductor current is used, InGaP solar cells which is the top cell
has a highest radiation resistance in 3J. To clarify the cause of this high radiation resistance, the mechanism of the radiation
degradation in InGaP cells is investigated. In the previous study, InGaP cells was found to be degraded by irradiation
with the electron beam at relatively low energies which are not able to induce the recoil of atoms in the cells. In order tounderstand the mechanism of the degradation, the samples of InGaP cells were irradiated with electron beams in vacuum
under cooling with ice by using a Cockcroft-Walton type accelerator at Osaka Prefecture University. The energies andthe fluences of the electron beams for irradiation were 70 keV and from 1×1014 to 3×1016 cm-2, respectively. For
comparison, it was also irradiated to GaAs solar cells. The measurements of light-current-voltage (LIV),electroluminescence (EL) and capacitance-voltage were carried out for the samples. After the irradiation the open-circuit
voltage, the intensity of EL in InGaP cells were decreased. On the other hand, the carrier concentration is increased. The
LIV characteristics of GaAs cells was degraded less than InGaP cells.

1.

緒言

研究では、InGaP の電子線はじき出しエネルギー閾値以下(100 keV 以下)の電子線を、InGaP セルへ照射し、エレクトロルミネッセンス分光測定および C-V測定を用いて、VOC の劣化要因を明らかにする。また GaAs セルのはじき出しエネルギー閾値の計算を行い、構成元素の原子のはじき出されない電子線の照射によって GaAs セルの劣化を比較として検証する。

宇宙太陽電池は人工衛星の電力源として利用されており、放射線による出力の低下の影響を少なくするために高い放射線耐性が求められている。現在ⅢⅤ族化合物半導体を用いた 3 接合型太陽電池が主に宇宙太陽電池として利用されており、そのトップセルである InGaP セルは、非常に高い放射線耐性を持っている[1,2]。InGaP セルの放射線劣化のメカニ
大阪府立大学コッククロフトウォルト
ズムを明らかにし、宇宙太陽電池における高放射線 2.
ン型電子線加速器システム耐性の向上への基礎的知見を得る研究が行われてきた[3]。
大阪府立大学放射線研究センターにあるコックク
太陽電池の劣化は、イオン化による損傷ではなく、 ロフトウォルトン型(CW)電子線加速器システムは、はじき出しといった非イオン化による損傷によって 試料への照射へ用いられた。実験時における本加速生じると考えられている。先行研究において、Non- 器システムの概要図を Fig.1 に示す。コッククロフト
Ionizing Energy Loss (NIEL) による計算で InGaP 構成 ウォルトン加速器によって作られた電子線は、偏向原子をはじき出さないと予測されたエネルギーの電 電磁石によって 90 度に曲げられた後、試料室へ運ば子線を InGaP セルへ照射した場合、セルの解放電圧 れる。コイルは、電流電圧発生装置または、高周波(VOC) が劣化することが明らかになった [4]。現在 電圧発生装置に接続されている。前者は、縦方向への調節および電子線の集束レンズの役割を持っておNIEL は宇宙太陽電池の劣化予測にも使われるので、り、後者は、電子線の走査の役割を持っている。ここの予測外の劣化を明らかにすることは重要である。の調整された電子線を試料照射部の試料台と同じ面VOC を決めるファクターとしてとして考えられる 積の蛍光版に照射し、蛍光版の発光を観察したもの
ことは、太陽電池のシャント抵抗(RSH)、キャリア濃 を Fig.2 に示す。蛍光塗料は、全面から均一に光を発度および、ビルトインポテンシャル(Vbi)がある。本 光しており、これは電子線が非常に均一に試料へ照射されていることを示している。また試料の電___________________________________________# gakkai@kasokuki.com- 1375 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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却液やヒーターを用いることによって－196 - 300 ℃の範囲で調整することが可能である。これらのシステムの構築により、照射直後に試料をシステム内に設置したまま光学的および電気的測定を行うことが可能であるため、二次欠陥の影響をほとんど受けずに、デバイスの評価を行うことが可能である。このようなシステムを持った加速器は世界でもほとんどない。

Figure 1: Schematic view of the CW accelerator system inOPU.
子線フルエンスは、試料の傍に銅板をエレクトロメータに接続することにより測定される。蛍光塗料による観測の結果、電子線が試料台へ均一に照射されているので、試料と電子線フルエンス測定用の銅板がほとんど同じ線量率で照射されていると考えられる。

Figure 3: Schematic view of sample irradiation unit.

3.

Figure 2: Schematic view of the CW accelerator system inOPU.
結晶中に電子線を照射した場合、はじき出しによる一次欠陥が生成される。その後、熱などによる欠陥の移動によって二次欠陥などが生成される。この二次欠陥による影響は、温度および照射から計測までの時間が大きく関わっている。そのため試料照射部は、宇宙太陽電池の電子線照射試験用に最適化されており、その概略図を Fig.3 に示す。試料照射部は真空システムとつながっており、加速器の運転時には~10-5 Pa になる。試料に照射される電子線のエネルギーは、60 - 600 keV の範囲で調整可能である。
側面には窓が２か所設置されており、試料への光学的な測定が可能である。試料横には、銅板(10×5mm)が設置されており、エレクトロメータに接続されている。このエレクトロメータの数値を解析することにより試料へ照射されたおよその電子線フルエンスは、換算されている。温度制御に関しては、冷GaAs のはじき出しエネルギーの算出

電子線がある物質に照射されるとエネルギーのほとんどは、その物質を構成する原子の電子を励起することに費やされるが、一部は原子核と弾性的に衝突してエネルギーをターゲットである原子核に渡し、その原子をはじき出すことに費やされる[5]。電子線の質量を Me および光速を c とすると、静止エネル
ギーMec2 は 0.511 MeV であるから、原子をはじき出すエネルギーを持つ電子線は相対論的に扱う必要がある。そのため電子線の運動エネルギーp および運動エネルギーE は、𝑝=𝐸=𝑀𝑒 𝑣(1)√1−𝛽 2𝑀𝑒 𝑐 2(2)√1−𝛽 2と表される。ここで v は電子線の速度を表している。
質量 MT のターゲット原子へ電子線が Fig.4 のように弾性衝突した場合、角度θの散乱に対してターゲット原子に渡されるエネルギーEp は、
𝐸𝑝 =

∆𝑝(3)

2𝑀𝑇

Me<<MT より、- 1376 -𝐸𝑝 =2𝑝2
𝑀𝑇𝑠𝑖𝑛2𝜃2(4)Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2015 THP129mW、112.70 mA、0.7418 V、72.09、4 cm2 であった。

(1)および(2)式を用いて、
𝐸𝑝 =2𝑀𝑒𝑀𝑇∙

1
𝑀𝑒 𝑐 2(𝐸 + 2𝑀𝑒 𝑐 2 )𝐸𝑠𝑖𝑛2

𝜃2

Table 1: Performances of GaAs solar cell

(5)

ISC [mA]
VOC [V]PM [mW]
IPM [mA]
VPM [V]FF [%]
A [cm2]となる。従って𝜃 = 𝜋の時、1 次はじき出し原子の付与されるエネルギーは、最大となりそのエネルギーは、𝐸𝑝,𝑚𝑎𝑥 =2𝐸(𝐸+2𝑀𝑒 𝑐 2 )𝑀𝑇 𝑐 2(6)122.600.95
83.57
112.700.741872.094となる。
¾電子線照射試験
CW 加速器を用いて、70 keV の電子線を試料へ照射した。電子線フルエンスは、1×1014-3×1016 cm-2であった。試料は、氷によって冷却された。試料の照射中、LIV 測定、EL 分光分析および C-V 測定が試料の評価として行われた。
¾

光電流電圧(LIV)測定
デジタルマルチメータ (7352E, ADC)およびバイポーラ直流電源(6146, ADC)が測定器として、用いられた。光源は、キセノンランプ(KXL-150F, ワコム
電創)および AM0 フィルター(F049, ワコム電創)を用いて作製され、Fig.3 のように取り付けられた。
¾
Figure 4: Elastic collision of the target atom and theelectron.
Ep,max がはじき出し閾値エネルギーEd より大きい場合、原子がもといた位置からはじき出されると考えられている。Ep,max=Ed の時、(6)式の解より、電子線が原子をはじき出す最小のエネルギーEmin は、E𝑚𝑖𝑛 =√4(𝑀𝑒 𝑐 2 )2 +2𝑀𝑇 𝑐 2 𝐸𝑑 −2𝑀𝑒 𝑐 22(7)と表される。
GaAs の場合、電子線に対する Ed は 10 eV 程度であることが知られている[6]。(7)式より Ga および As原子を電子線がはじき出す最小エネルギーは、それぞれ約 255 keV および 271 keV である。そのため、ほとんどはじき出し損傷が起きないと考えられる 70keV の電子線を照射した場合における GaAs セルの劣化について調査を行う。

4.
¾

実験方法

InGaP セルおよび GaAs セル
InGaP セルに関しては Ref.3 に使われている試料と同様のものが用いられた。GaAs セルの性能を Tab.1に示す。短絡電流(ISC)、解放電圧(VOC)、最大電力(PM)、Pm 電流(IPM)、Pm 電圧(VPM)、フィルファクタ(FF)、セル面積はそれぞれ、122 mA、0.95 V、83.57

エレクトロルミネッセンス(EL)分光分析分光器(MAYA2000PRO, Ocean Optics 社製)を用いて 測 定 し た 。 フ ァ イ バ ー (P400-2-VIS-NIR, OceanOptics 社製)は、Fig.3 のように設置された。電源は、LIV 測定で用いたものを使用した。
¾

キャパシタンス-電圧(C-V)測定
LCR メーター(4284A, Agilent 社製)によって C-V 測定を行った。測定条件については、測定周波数、交流電源電圧、バイアス電圧およびバイアス電圧ステップが、それぞれ 100 kHz、50 mV、－1000-1500
mV および 50 mV であった。

5.

結果および考察70 keV 電子線を InGaP セルへ照射した際の、InGaPセルおよび GaAs セル LIV 測定の結果をそれぞれFig.5 および Fig.6 へ示す。縦軸および横軸は、電流および電圧である。InGaP セルの LIV 曲線の電子線フルエンスは、Begin of life (BOL)、3×1014、3×1015および 3×1016 cm-2 である。GaAs は BOL および、5×1016 cm-2 である。InGaP セルへの 70 keV の電子線照射では、ISC の劣化がなく、VOC および PM の劣化が起きることが明らかになった。この劣化の特徴は、
60 keV の電子線を InGaP セルへ照射した場合と同様の劣化である。VOC の劣化の要因の一つである RSHは、IV 曲線における ISC 付近の傾きの逆数で表される。各フルエンスにおける RSH の変化を Fig.7 へ示す。縦軸および横軸は、それぞれ RSH および電子線- 1377 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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フルエンスである。1×1016 cm-2 より小さいフルエン
スでは、ほとんど RSH の減少がなかった。VOC は、フルエンスの増加につれて劣化しており、RSH の減少していない 1×1016 cm-2 以下でも劣化していた。しかし 2×1016 cm-2 以上のフルエンスでは、RSH の低下が起きており、VOC の劣化を引き起こした要因の一つであると考えられる。
GaAs の LIV 曲線については、5×1016 cm-2 の電子線照射において、ほとんど変化していないことが明らかになった。これは、InGaP に対して GaAs のはじき出し閾値エネルギーが、100 keV 程度大きいことが、70 keV 電子線照射におけるセルの劣化に関係していることが考えられる。また 1 MeV 電子線照射の場合、InGaP セルは GaAs セルに比べて劣化しないことが知られているが[7]、70 keV の電子線照射に対しては、GaAs セルの方が、放射線耐性が高いことが明らかになった。

Figure 7: RSH of InGaP cell before and after electron beamirradiation at 70 keV.
VOC の劣化は、キャリア濃度またはビルトインポテンシャルの低下が考えられる。C-V 測定において、1/C2-V プロットは、Mott-Schottky プロットと呼ばれ、以下の式より接合からの距離に対するキャリア濃度(NC)およびビルトインポテンシャル(Vbi)を計算することが可能である。
𝑁𝐶 (𝑊) =2𝑞𝐾𝑆 𝜀0 𝐴2 [ここで1𝐶2Figure 5: LIV characteristics of InGaP cell under the AM0
condition before and after electron beam irradiation at 70keV.

Figure 6: LIV characteristics of GaAs cell under the AM0
condition before and after electron beams irradiation at 70keV.

=2𝑞𝑁𝑐 𝐾𝑠 𝜀𝑜 𝐴2(8)𝑑(1⁄𝐶2 )]𝑑𝑉

W=𝐾𝑆 𝜀0 𝐴(𝑉𝑏𝑖 − 𝑉)𝐶(9)ここで q、KS、ε0 および A は、それぞれ電荷量、半導体の比誘電率、真空の誘電率および太陽電池セルの表面積を意味している。
(8)式より InGaP セルのキャリア濃度を算出した結果を Fig.8 に示す。縦軸および横軸は、キャリア濃度および接合からの距離である。フルエンスは、BOLから 1×1016 cm-2 である。この結果より 1×1016 cm-2までの電子線照射では、InGaP セルのキャリア濃度が、増加していることが明らかになった。電子線照射によりキャリア濃度の増加することは、InGaP セル内部の多数キャリアを増加させる欠陥が生成されたことになる。多数キャリアの濃度の低下により、キャリアが枯渇した場合、VOC の低下の要因になるが、70 keV 電子線照射では、低下の要因が、キャリア濃度の低下によるものではないことが明らかになった。
Vbi は、1/C2-V プロットにおける 1/C2=0 の時の Vの値で表される。C-V 測定より計算された各フルー
エンスにおける InGaP セルのビルトインポテンシャ
ルを Fig.9 へ示す。この結果より、70 keV 電子線照射によってビルトインポテンシャルはほとんど変化していないことが明らかあになった。そのため VOCの劣化に対してビルトインポテンシャルは、ほとん- 1378 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ど影響していないと考えられる。

Figure 10: EL of InGaP cell before and after an electron
beam irradiation at 70 keV.
Figure 8: Carrier profile of the InGaP solar cell after after
an electron beam irradiation at 70 keV.

6.

まとめ

InGaP セルおよび GaAs セルに 70 keV 電子線照射を行った。GaAs セルの LIV 特性は、ほとんど劣化しなかった。InGaP セルは、VOC の劣化が確認された。この VOC 劣化の要因と考えられるシャント抵抗、キャリア濃度、ビルトインポテンシャルを計測した。
その結果、2×1016 cm-2 以上の場合、シャント抵抗の低下が要因の一つてあることが明らかになった。また 70 keV 電子線照射によってキャリア濃度が増加することが明らかになった。 EL の分光分析では、
InGaP セルの発光強度が低下したことから、深い準位の欠陥が生成され、キャリアの非発光再結合過程が増加したと考えられる。今後、電子ライナックのビームの照射も計画している。
本研究の一部は、H27 年度加速器科学総合支援事業「大学等連携支援事業」によって行われた。

Figure 9: Vbi of InGaP cell after an electron beamirradiation at 70 keV.

参考文献[1] M. Yamaguchi and S. Wakamatsu, Proceedings of the 25th
IEEE Photo-voltaic Specialists Conference (IEEE, New
InGaP セルの EL の分光分析の結果を Fig.10 へ示
York), 9 (1996).
す。縦軸および横軸は、それぞれ光子のカウント数 [2] M. Yamaguchi, T. Okuda, and S. J. Taylor, Appl. Phys. Lett.
および波長である。またフルエンスは、3×1014-5×70, 16 (1997).
1015 cm-2 であった。InGaP の EL バンド端発光をする [3] M. Imaizumi, C. Morioka1, T. Sumita1, T. Ohshima and S.
Okuda, IEEE (PVSC) 37, 1579 (2011).
ことが知られており[8]、EL のピークは約 660 nm で
[4] Yasuki Okuno, Shuichi Okuda, Takeo Kojima, Takashi Oka,
あることから、InGaP のバンドギャップ(約 1.9 eV)とShirou Kawakita, Mitsuru Imaizumi and Hiroaki Kusawake,ほぼ一致している。この結果より EL の発光強度は、
Phys. Status Solidi C 12, 773 (2015).
電子線照射によって低下し、5×1015cm-2 で、分光器 [5] Ishino Shiori, 東京大学出版会, 照射損傷 (原子力工学シリーズ 8) (1979).
検出できないことが明らかになった。EL の発光強度の低下は、欠陥によってバンドに非発光再結合順位 [6] I. Jun, W. Kim and R. Evans, IEEE Trans. on Nucl. Sci. 56,3229 (2009).
が生成されたことを意味しており、NIEL によるは
[7] M. Yamaguchi, T. Okuda, Stephen J. Taylor, and T. Takamoto,
じき出しエネルギー以下の電子線照射によって深いE. Ikeda and H. Kurita, Applied Physics Letters 70, 1566
準位の結果が導入されたと考えられる。また発光(1997).
ピークが長波長側へシフトしているが、これは、試 [8] M. Zazoui and J. C. Bourgoin, Applied Physics Letters 80,4455 (2002).
料温度が電子線照射によって高くなり EL の温度依存性によって起きたものと考えられる。

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