InGaN基太阳电池_林硕.doc
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1、InGaN基太阳电池研究现状林硕 (厦门大学 物理系,福建 厦门 )摘要:本文首先小结了InGaN基太阳电池的优点和面临的主要困难.而后本文回顾了InGaN基太阳电池的研究现状:包括同质结,异质结,量子阱等几种结构的太阳电池.根据文献报导,目前InGaN基太阳电池在AM1.5G光谱下的最高实际效率为., 最高峰值外部量子效率为%(出现在光谱波长处).可见InGaN基太阳电池的研究目前正处于刚刚起步阶段.关键词: InGaN;太阳电池;同质结;异质结;量子阱;中图分类号:O47 文献标识码:A 随着刚刚修改的InN的禁带宽度0.7eV1,2, 合金的禁带宽度在0.7eV(InN)3.4eV(Ga
2、N)范围内可以连续变化, 几乎覆盖了整个太阳光谱. 这为制备超高效率的InGaN层叠太阳电池提供了可能性. 作为III-V族化合物半导体太阳电池材料中新的一员,InGaN材料作为候选的太阳电池材料除了禁带宽度在0.7eV3.4eV连续可调,还具备许多优点.由于具备高硬度,耐高温,耐辐射(抗辐射能力比GaAS强很多)、耐酸碱的优点,InGaN材料非常适合于制备超高效率的太空太阳电池.它在In的组分由0到1变化范围内,都是直接禁带材料,具有很高的吸收系数,所以电池可以做得很薄,有利于节省材料.对层叠太阳电池而言,同一设备生长多结InGaN太阳电池比目前用几种不同的半导体材料制备太阳电池(如:InG
3、aP/(In)GaAs/Ge系列太阳电池)方便了许多3;更重要的是由于它属于同一合金体系(InGaN基),InGaN层叠太阳电池各层之间应该具有较好的热膨胀匹配、电子亲和势匹配,满足制备层叠电池材料所必需的苛刻条件.InGaN材料由于极化和压电作用使其对高位错密度很不敏感,这有利于克服材料中的缺陷对太阳电池效率的不利影响4.另外低In组分的InGaN材料已成功用于制备蓝光激光器(LD)、蓝光发光二级管(LED)、紫外探测器,这为应用InGaN材料制备InGaN太阳电池提供了技术准备. InGaN材料有小的有效质量,高的迁移率,从而扩散长度很长;这样产生的光生载流子容易被收集(这一点和有机材料恰
4、恰相反).InGaN基太阳电池材料面临的主要问题但是目前高质量、高In组分的InGaN材料生长还有一些困难如:p型掺杂、相分离(由于InN和GaN的晶格失配很大)、InN中很高的N2平衡蒸汽压,这些困难成为制备InGaN基层叠超高效率太阳电池的主要障碍.另外InGaN材料成本较高,只有太空或聚光应用的前景.InGaN基太阳电池研究现状 目前InGaN太阳电池的研究还处于非常初级的阶段.多个小组从实验上制备了同质结,异质结,复合量子阱,超晶格等形式的InGaN基太阳电池.电池在效率方面的报导多只在量子效率方面;在AM光谱下的效率还相当低.还未出现InGaN基层叠太阳电池的报导.2.1 异质结太阳
5、电池Omkar Jani et al4,5首先从实验上制备了InGaN异质结太阳电池,他们设计的太阳电池的结构见图1. 不过他们的太阳电池生长质量不高,InGaN薄膜存在着明显的相分离,见光致发光图2. 图1 InGaN异质结太阳电池 Fig. 1 InGaN heterojunction solar cell 图2 InGaN相分离 Fig. 2 InGaN phase seperationXinhe Zheng et al6, Carl J. Neufeld et al7两个小组改进了生长条件,得到了非常好的In0.1Ga0.9N薄膜见图3或4,而且他们还优化了GaN/InGaN异质结界面
6、见图5.Carl J. Neufeld et al报导了目前InGaN基太阳电池最高峰值外部量子效率63,出现在光谱波长处. 图3 高质量GaN/InGaN的XRD Fig. 3 High quality GaN/InGaN XRD图 4 高质量InGaN的PL Fig.4 High quality InGaN PL图高质量GaN/InGaN/GaN的倒格子XRD(内部小插图是TEM横截面图像)Fig. High quality GaN/InGaN/GaN Reciprocal space mapping of XRD(Inset is cross-sectional TEM image)Xi
7、nhe Zheng et al, Carl J. Neufeld et al等人报导的高质量异质结结构中本征层In0.1Ga0.9N厚度只有150nm,这样太阳光得不到充分吸收(一般要InGaN薄膜长到400nm才能吸收98%的太阳光).他们又尝试长了300nm本征层In0.1Ga0.9N,发现光响应反而不如150nm的结构;这是由于300nm本征层In0.1Ga0.9N超过了临界厚度,这样引起In0.1Ga0.9N薄膜质量的下降,这样降低了300nm结构的光响应.为了克服“吸光不足”的问题, Ray-Hua Horng et al8, 通过激光剥离蓝宝石衬底,键合等工艺,在GaN/In0.1
8、Ga0.9N背面上键合反射镜(本征层In0.1Ga0.9N厚度仍只有150nm);这样第一次未被吸收透过GaN/In0.1Ga0.9N的光子就被反射镜反射回电池,再次被电池吸收,见图6.他们报导了目前InGaN基太阳电池在AM1.5G光谱下的最高效率0.8. 图键合反射镜后的GaN/InGaN太阳电池 Fig.6 A GaN/InGaN solar cell with a bonded reflector2.2 同质结太阳电池Cuibai Yang et al9,X. Chen et al10两个小组首先分别制备了pn和pin InGaN基同质结太阳电池.S W Zeng et al11通过引
9、入宽禁带的p-GaN窗口层改进了pin同质结太阳电池的结构,见图,降低了表面复合,在一定程度上提高了电池的短路电流和开路电压;并减少了InGaN层的厚度,在一定程度上提高了InGaN层的质量.(a)Chen et al (b)S W Zeng et al图pin InGaN 同质结太阳电池Fig. Pin InGaN homojunction solar cellXiao-mei Cai et al12制备了不同In组分( x=0.02,0.1,0.15)InGaN基同质结太阳电池,分析了电池特性随In组分变化的规律;发现电池的光响应或最大输出功率随In组分的增加而降低见表1.这个结果,和Om
10、kar Jani et al在其制备异质结InGaN基太阳电池中得到的结果是一致的,见图8. 表Xiao-mei Cai InGaN同质结太阳电池输出特性Table 1 Output characteristic of Xiao-mei Cai s InGaN homojunction solar cellIn contentVoc(V)Jsc(mA/cm2)FF(%)Peak EQE(%)Pmax(mW/cm2)0.022.241.4069432.16 0.121.341.6664331.42 0.150.961.8765301.16 图8Omkar Jani et a异质结太阳电池Fig.
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