InGaNGaN量子阱太阳能电池的设计和性能优化.doc

InGaN/GaN量子阱太阳能电池的设计和性能优化 陈少杰 （内蒙古大学物理科学与技术学院 电子科学与技术2014级） 摘要：本文先介绍了什么是InGaN/GaN量子阱太阳能电池，然后介绍了该电池的设计方案。在这二者基础上，从三个方面提出了3种性能优化方案，来提高该太阳能电池的转换效率。 关键词：InGaN/GaN量子阱；太阳能电池；GaN;InGaN 引言：InGaN/GaN量子阱太阳能电池在扩宽氮化物半导体太阳能电池光谱响应和提高电池效率方面有较大优势，受到广泛关注。随着第三代太阳能电池的发展，对量子结构太阳电池的研究成为提高太阳能电池效率的前沿热点问题，特别是近年对量子阱结构的研究，显示了量子阱结构非常适合应用于太阳能电池中，它能够提高太阳能电池的整体效率。20世纪90年代，Barnbam等发明了基于量子阱结构的太阳能电池，将量子阱引入型薄膜太阳能电池的本征层，使得这种太阳能电池的效率提高到14%，而经过研究者大量的数学理论计算和实验研究，目前量子阱太阳能电池的实验室效率已超过25%。Barnbam等人的研究表明，量子阱太阳能电池的理论极限效率可达63%。 量子结构的太阳能电池，其电池结构通常我们认为是一个p-i-n结，其中本征层（i层）一般嵌入量子阱结构（见图1），量子阱是以生活中的井为示例，即中间的势阱层是以窄带隙的InGaN材料，两边的势垒层是以宽带隙GaN材料，其中带隙的宽度表示阱的深度，即带隙越窄表示阱越深，这样就构成一个量子阱，据此我们可以提出一个如图所示的InGaN/GaN量子阱结构。而第一性原理和细致平衡理论分析计算其理论极限效率为其实验研究提供理论依据。而对于其量子阱的结构见图，两边的GaN层即为势垒层，而中间的InGaN即为是阱层。对于一些载流子的吸收，由于低迁移率都可以被包含在细致原理平衡模型中，而细致平衡模型一般又与Shockley-Queisser极限相联系，是基于光流量的输入和输出的细致平衡。 图2 InGaN量子阱电池的阱层结构 Fig.2 Trap layer structure of InGaN quantum well battery InGaN材料是直接带隙材料具有制作高效率太阳能电池的潜力。InGaN材料太阳能电池带宽范围从0.7ev到3.4ev范围内连续可调，几乎覆盖整个太阳光波段。另外，抗辐射性能好。因此，InGaN更具备制作高效率太阳能电池的特性，成为了目前研究的热点。表是InxGa1-xN材料的相关参数。 InxGa1-xN材料的相关参数 Tab.1 Relevant parameter of InxGa1-xN material InGaN/GaN量子阱太阳能电池的设计 1.1 优化量子阱区域In组分 近年来，许多科学家通过制备不同周期InGaN/GaN量子阱组成的不同组分的In的太阳能电池，发现了不同的In组分对InGaN/GaN量子阱太阳能电池的载流子逃逸的影响不同。由于In组分增大会导致晶体质量下降和阱中极化效应增强，是在六字的逃逸几率减小，从而使得In组分大的电池的短路电流密度、开路电压和填充因子相对于In组分小的电池较小。 2014年，Kim等发现随着In组分的增大，电流的短路电流密度增加，而开路电压和填充因子下降。其中，In组分为0.28的量子阱太阳能电池的短路电流密度和外量子效率相应范围最大，而开路电压和填充因子最小，这些结果也是由于高In组分引起材料晶体质量和载流子输运效率下降造成的。因此通过研究，使用双层不同In组分量子阱。高能光子被上层的低In组分的量子阱吸收，低能光子被下层的较高In组分的量子阱吸收，从而扩充了电池对入射光的吸收范围。 InGaN/GaN量子阱太阳能电池量子阱区域结构设计对电池特性的影响 图3 量子阱区域结构设计对InGaN/GaN量子阱太阳能电池特性的影响 Fig.4 The effect of multiple quantum well region structure design on the photovoltaic characteristics of InGaN multiple quantum well solar cells 通过这些研究表明，In组分在一定范围内增加对电池性能有好处：有效降低电池的有效吸收带隙、增加对太阳光的吸收范围、提升短路电流、扩宽光谱响应范围。但是，如果In组分增加过多，会使晶体质量下降，载流子复合增大，导致电池的短路电流、开路电压和填充因子减小。因此，优化In组分是该电池设计的重要环节，通过优化来权衡两者之间的关系，从而提高电池的性能。 1.2 合理选择量子阱周期 Sirona、Yang等研究发现量子阱周期的数量影响电池的性能，其性质与In组分的多少大似相同