氮化物光伏電池的制備和特性研究

1、GaNGaN基半導體光伏電池的制備和特性研究基半導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集美大學理學院物理系，福建廈門，361021，2廈門大學信息學院電子系，3廈門大學薩本棟微納米技術(shù)研究院，廈門，361005)通信作者：bzhang@xmu.，基金項目：國家自然科學基金（61404059，61274052），集美大學科研啟動金（ZQ2013011）摘要：本研究制備了三種低In組分的InGaNpi

2、n同質(zhì)結(jié)太陽能電池，均顯示良好的光伏響應(yīng)特性，并對電池開路電壓隨In組分增大而急劇下降的內(nèi)在機理作深入分析。而后，改進外延結(jié)構(gòu)采用相同工藝制作InGaNpin異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并與同質(zhì)結(jié)電池進行了對比分析，提出異質(zhì)結(jié)是InGaN電池結(jié)構(gòu)的較好選擇。為了擴展太陽光的吸收范圍，制作了InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)電池，指出合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)是今后研究的關(guān)鍵，為進一步的研究發(fā)展提供思路。關(guān)鍵詞：InGaN；太陽能電池；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到極限，進一步提升空間很有限，難度也很大。根據(jù)理論計算單晶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能電池方面發(fā)展。目前，高效太陽能電池主要為第二代半導體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太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已達到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)太陽能電池，使其每一結(jié)子電池吸收相應(yīng)的太陽光。當前，效率最高的InGaPGaAsInGaAs[1]，GaInPGaInAsGe[2]和GaInPGaAsGaInNAs[3]三結(jié)電池，轉(zhuǎn)換效率可達到41.6%～44%，為了更進一步提高太陽能電池的效率，需要增加多結(jié)太陽能電池的結(jié)數(shù)目，使其子電池能更有效地吸收太陽光。根

8、據(jù)理論計算[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，GaN基半導體InGaN材料以其優(yōu)越的光伏特性，吸引人們探索其在太陽能電池方面的應(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)的光波長從紫外（365nm）一直延伸到近紅外（1900nm），幾乎涵蓋了整個太陽光譜。相比于其它的材料體系，InGaN合金更容易滿足多結(jié)電池對材料帶隙的要求，這給進一步提高多節(jié)電池轉(zhuǎn)換效率帶來新的契機。此外，該材料在整個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具有很強的抗輻射能力[5]，各項研究表明，經(jīng)過高能粒子