InGaN太陽(yáng)能電池的制備及特性研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物寬禁帶材料的研究與應(yīng)用是目前半導(dǎo)體行業(yè)的前沿和熱點(diǎn)，主要包括GaN、InN、AlN及其三元和四元合金(InGaN，AlGaN，InAIN和AlInGaN)。其中InGaN材料以其優(yōu)越的光伏特性，迅速成為近年來(lái)國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。它具有連續(xù)可調(diào)的寬帶隙(0.65eV～3.42eV)，其吸收光與太陽(yáng)光譜幾乎完美匹配，在整個(gè)組分范圍內(nèi)均為直接帶隙材料，還具有高電子遷移率、高吸收系數(shù)、高硬度、強(qiáng)抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)展高效多節(jié)電池和空間

2、太陽(yáng)能電池上具有廣闊的應(yīng)用前景。本文圍繞電池性能，在外延材料生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制作、性能表征等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，主要工作內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)制作的低In組分InxGa1-xNp-i-n同質(zhì)結(jié)(HOJ)太陽(yáng)能電池具有良好的光電響應(yīng)特性，x=0.02電池的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)分別高達(dá)2.24V和69％。進(jìn)一步研究表明，隨著In組分的提高，短路電流密度（Jsc）變大，而Voc卻急劇減小，且下降幅

3、度遠(yuǎn)大于材料帶隙引起的減小量。通過(guò)多種表征手段深入分析了此現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，提出高In組分樣品中高密度缺陷是導(dǎo)致Voc降低的重要因素，提高材料質(zhì)量是關(guān)鍵。
　　(2)結(jié)合外量子效率(EQE)響應(yīng)譜，分析了p-GaN厚度對(duì)電池高能光子響應(yīng)的重要影響，并闡明窗口層設(shè)計(jì)方面應(yīng)側(cè)重考慮的問(wèn)題。
　　(3)研究光強(qiáng)和溫度對(duì)電池性能的影響。隨著光強(qiáng)增大，Jsc呈線性增大，Voc呈對(duì)數(shù)式增大，而FF及η因受串聯(lián)電阻影響先增大后減小。溫度升高

4、電池性能總體變差，表現(xiàn)為Voc和η隨溫度升高而降低。
　　(4)基于HOJ電池的研究基礎(chǔ)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)制作異質(zhì)結(jié)(HEJ)電池，并對(duì)比了具有相同耗盡區(qū)寬度的HOJ和HEJ電池，發(fā)現(xiàn)HEJ電池在制備高質(zhì)量高In組分的InGaN吸收層，降低串聯(lián)電阻，提高入射光的吸收，調(diào)制光譜響應(yīng)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為InGaN太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供新思路。
　　(5)設(shè)計(jì)、制備三種不同電流擴(kuò)展層(CSL)的In0.135Ga0.865N/GaN太陽(yáng)

5、能電池，并對(duì)比研究它們的性能。結(jié)果表明，CSL對(duì)電池性能影響很大，以ITO-L電池性能最佳。入射光的吸收和光生載流子的收集存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，合理設(shè)計(jì)找尋二者的平衡點(diǎn)以及提高p型摻雜均至關(guān)重要。
　　(6)制作InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，其響應(yīng)譜拓展到500nm以上，添加Al反射鏡的電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.335％。進(jìn)一步研究不同壘厚對(duì)載流子輸運(yùn)的影響，結(jié)果表明減小壘厚可增大遂穿幾率，提高光生載流子的收集，但也可能引起V

6、oc變小。此外，還研發(fā)設(shè)計(jì)了垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽(yáng)能電池，并提出了多量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池效率的改善途徑。
　　(7)針對(duì)高效多節(jié)電池所需子電池的帶隙，以及MOCVD生長(zhǎng)中InN的高揮發(fā)性和NH3的低分解率問(wèn)題，采用MBE外延高In組分InGaN薄膜。研究表明增大In的流量比r(r=In/(In+Ga))，可提高薄膜In的結(jié)合率，調(diào)整Ⅲ、Ⅴ族源流量，可避免In液滴形成并快速提高In的組分，甚至獲得更高質(zhì)量的外延膜，此外，較低的生長(zhǎng)溫