氮化物光伏電池的制備和特性研究

1、GaNGaN基半導(dǎo)體光伏電池的制備和特性研究基半導(dǎo)體光伏電池的制備和特性研究蔡曉梅1張江勇2，呂雪芹3，應(yīng)磊瑩2，張保平2(1集美大學(xué)理學(xué)院物理系，福建廈門，361021，2廈門大學(xué)信息學(xué)院電子系，3廈門大學(xué)薩本棟微納米技術(shù)研究院，廈門，361005)通信作者：bzhang@xmu.，基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61404059，61274052），集美大學(xué)科研啟動(dòng)金（ZQ2013011）摘要：本研究制備了三種低In組分的InGaNpi

2、n同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，均顯示良好的光伏響應(yīng)特性，并對(duì)電池開(kāi)路電壓隨In組分增大而急劇下降的內(nèi)在機(jī)理作深入分析。而后，改進(jìn)外延結(jié)構(gòu)采用相同工藝制作InGaNpin異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，并與同質(zhì)結(jié)電池進(jìn)行了對(duì)比分析，提出異質(zhì)結(jié)是InGaN電池結(jié)構(gòu)的較好選擇。為了擴(kuò)展太陽(yáng)光的吸收范圍，制作了InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)電池，指出合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)是今后研究的關(guān)鍵，為進(jìn)一步的研究發(fā)展提供思路。關(guān)鍵詞：InGaN；太陽(yáng)能電池；結(jié)構(gòu)Fabricationacte

3、risticsofGaNbasedSolarCellsCAIXiaomei1ZHANGJiangyong2LVXueqin3YINGLeiying2ZHANGBaoping2(1DepartmentofPhysicsSchoolofScienceJimeiUniversityXiamenChina2DepartmentofElectronicEngineeringXiamenUniversityXiamenChina3PenTungSa

4、hInstituteofMicroNanoScienceTechnologyXiamenUniversityXiamen361005China)Abstract：ThreekindsofInxGa1xNpinhomojunction(HOJ)solarcells(SCs)withcomparativelylowIncontentsarefabricateddemonstratedtoshowexcellentphotoresponsea

5、cteristics.Possiblemechanismsfthedramaticdecreaseofopencircuitvoltage(Voc)withincreasingIncontentarediscussed.Fcomparisonheterojunction(HEJ)SCsarealsofabricatedinvestigated.ThroughcomparingHOJHEJSCsweproposedthatHEJstruc

6、tureisabettercidatefInGaN單晶Si太陽(yáng)能電池已得到廣泛的應(yīng)用，其工業(yè)轉(zhuǎn)換效率約20%（太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為其最大輸出功率與入射到表面的總光功率之比），然而由于材料特性上的限制，晶體Si電池的效率基本已達(dá)到極限，進(jìn)一步提升空間很有限，難度也很大。根據(jù)理論計(jì)算單晶Si電池的極限效率也只有30%，因此Si材料很難在高效率太陽(yáng)能電池方面發(fā)展。目前，高效太陽(yáng)能電池主要為第二代半導(dǎo)體InGaAsP系列材料，且已在航空航

7、天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，單結(jié)GaAs太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到27.6%。為了取得更高的轉(zhuǎn)換效率，必須利用不同帶隙材料制作多結(jié)太陽(yáng)能電池，使其每一結(jié)子電池吸收相應(yīng)的太陽(yáng)光。當(dāng)前，效率最高的InGaPGaAsInGaAs[1]，GaInPGaInAsGe[2]和GaInPGaAsGaInNAs[3]三結(jié)電池，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到41.6%～44%，為了更進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的效率，需要增加多結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)數(shù)目，使其子電池能更有效地吸收太陽(yáng)光。根

8、據(jù)理論計(jì)算[4]，電池結(jié)數(shù)目越多，效率越高，需要具有不同帶隙材料種類將越多，且頂部子電池的帶隙也越大（如5結(jié)電池頂部子電池的帶隙為2.68eV）。為了取得效率大于50%的太陽(yáng)能電池，必需尋求滿足多結(jié)電池帶隙要求且具有良好光伏特性的新型材料。近年來(lái)，GaN基半導(dǎo)體InGaN材料以其優(yōu)越的光伏特性，吸引人們探索其在太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用。InN帶隙的重新修正，意味著改變InGaN中In的組分，便可實(shí)現(xiàn)其帶隙在3.4eV（GaN）到0.65eV

9、（InN）之間連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)的光波長(zhǎng)從紫外（365nm）一直延伸到近紅外（1900nm），幾乎涵蓋了整個(gè)太陽(yáng)光譜。相比于其它的材料體系，InGaN合金更容易滿足多結(jié)電池對(duì)材料帶隙的要求，這給進(jìn)一步提高多節(jié)電池轉(zhuǎn)換效率帶來(lái)新的契機(jī)。此外，該材料在整個(gè)In組分變化范圍內(nèi)均為直接帶隙，吸收入射光后產(chǎn)生載流子的效率較高相比于Si、GaP等間接帶隙材料，InGaN吸收入射光后產(chǎn)生載流子的效率更高。除了具有寬大連續(xù)可調(diào)的直接帶隙，InGaN也具備其

10、他優(yōu)越的光伏特性：首先，InGaN具有較高的吸收系數(shù)，其帶邊吸收系數(shù)達(dá)到105cm1，這意味著400nm的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光。相比于上百微米的Si太陽(yáng)能電池，InGaN電池可以節(jié)省更多的材料，使電池質(zhì)量變得更輕，這對(duì)太空應(yīng)用尤其重要。其次，InGaN具有較高的電子遷移率，這使得電池中的光生載流子在材料內(nèi)部復(fù)合幾率減小，有利于提高電池的短路電流。再次，InGaN具有很強(qiáng)的抗輻射能力[5]，各項(xiàng)研究表明，經(jīng)過(guò)高能粒子