蓝宝石衬底生长铟镓氮太阳能电池的参量优化与光谱响应拓展研究

• 作 者: 陈鑫
• 机 构: 华南师范大学
• 出 处: 华南师范大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 太阳能电池 铟镓氮 参量优化 光谱响应拓展 三元合金

铟镓氮三元合金由于其独特的物理特性，广泛应用于光电器件领域。其高抗辐射性、高导热性、高吸收因子，特别是直接可调的带隙，使其成为了理想的光伏材料。　　
尽管具备诸多优良特性，但是铟镓氮材料在光伏应用方面的挑战仍然存在。为了通过铟镓氮合金获得太阳能转换效率大于50％的太阳能电池，需要铟组分超过0.4的铟镓氮材料。然而制备高质量的高铟组分铟镓氮材料十分困难，因此大多数文献报道的铟镓氮基太阳能电池的铟组分都低于16％，这导致器件在420nm之后的光谱响应下降严重。光谱响应较窄也将直接导致太阳能电池的转换效率低下。为了克服厚的铟镓氮材料中的铟组分并入限制问题，许多研究小组采用了多量子阱或超晶格结构的吸收层，以期通过调整垒层和阱层材料的参量独立地优化开路电压和短路电流密度。然而，到目前为止，这些器件的转换效率仍然显著低于相应铟组分的理论效率值。铟镓氮氮化镓多量子阱太阳能电池的许多基本参量，如垒层厚度，载流子的传输机理等基本问题最近才有课题组专门进行讨论。因此为了进一步提升铟镓氮氮化镓多量子阱太阳能电池的能量转换效率，对其结构参量进行优化仍然十分必要。　　
本文使用了英国Thomas Swan的3×2英寸研究型MOCVD研究了蓝宝石衬底上铟镓氮氮化镓多量子阱太阳电池的生长。利用X射线双晶衍射，PL光谱分析样品的晶体质量及组份参量，使用太阳能薄膜电池测试系统和(Ⅰ)-(Ⅴ)测试系统分析太阳能电池的光谱响应以及光电转换性能，获得了如下有创新和有意义的研究　　
结果:　　
1、系统研究了垒层硅掺杂浓度对铟镓氮氮化镓多量子阱太阳能电池的性能影响。研究发现，垒层硅掺杂可以提升多量子阱区的传输性能，减小串联电阻;但是垒层掺杂浓度超过一定值时，电池的晶体质量会逐步下降，导致器件性能下降严重。结果，太阳能电池在垒层轻掺杂时性能最优。　　
2、p型铝镓氮插入层对铟鎵氮氮化镓多量子阱太阳能电池的性能影响。引入宽带隙的铝镓氮材料之后，太阳能电池的短波光谱响应以及开路电压均有所提升，但同时对光生载流子的收集有一定阻碍作用。总体来说，p型铝镓氮插入层对太阳能电池性能提升有一定作用。　　
3、设计并研究了具有阶梯型阱厚的多量子阱太阳能电池的性能。与普通结构相比，阶梯阱厚结构的太阳能电池具有更宽的太阳能光谱响应和较好的晶体质量，结果太阳能电池的短路电流密度及光电转换效率有了较大提升。