InGaNGaN量子阱太阳能电池的设计和性能优化

1、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

2、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1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2【4】，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

3、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1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2，两边的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1 pin结型的能带结构图Fig.1 Bang structure of pin junction图2 InGaN量子阱电池的阱层结构Fig

4、.2 Trap layer structure of InGaN quantum well batteryInGaN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1是InxGa1-xN材料的相关参数。表1 InxGa1-xN材料的相关参数Tab.1 Relevant parameter of InxGa1-xN material1. 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

5、 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

6、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如图3所示。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 c

7、ells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：量子阱周期增加时，电池的光吸收增大，在380nm波长的峰值外量子效率增加，但电池的并联电阻略微减小，串联电阻增大，光谱响应没有

8、得到提高，随着量子阱周期增大，电池在大于370nm的中长波段（该波段只在量子阱中有吸收）的光谱响应显著下降。造成这些的原因是过多的量子阱周期引起晶体质量下降、阱层应力释放概率增大，载流子复合增加，影响了光生载流子的收集。通过这些研究表明：在一定范围内，量子阱周期的增加能够使阱中的俘获光子的数目增多，增加电池对光子的吸收效率，提升电池的短路电流密度。但是，如果量子阱周期增加过多，会使耗尽区长度增加，降低了耗尽区电厂，影响了光生载流子的收集，同时随着量子阱周期的逐步增大时量子阱区域中InGaN阱层与GaN垒层间的晶格失配产生的应力积累增大，引起晶体质量下降，导致电池的开路电压下降。因此，合理选择量

9、子阱周期数目也是该电池设计中不可或缺的重要环节，使量子阱周期增加导致的入射光吸收增大引起的正面效果超过量子阱周期数目增加产生的复合损耗对电池性能带来的负面效应，从而提高电池的效率。1.3 调整量子阱区域InGaN阱层的厚度 2014年，Redaelli等通过对改变量子阱厚度来观察对InGaN/GaN量子阱太阳能电池的有效带隙和转换效率的影响3。研究表明随着量子阱厚度增加，带间跃迁能降低，电池吸收边红移，增加了电池的光吸收，但阱厚的增加也提高了阱层应力释放的概率，阱层缺陷密度增大，载流子复合增加，所以在较厚的阱中，器件性能的改善并不明显。考虑到这些方面，在InGaN/GaN量子阱太阳能电池的设计

10、中应合理设计量子阱区域的阱厚来权衡电池的有效吸收带隙、晶体质量与载流子收集和输运的关系。1.4 调整量子阱区域GaN垒层的厚度 近年来，通过许多科学家的研究发现InGaN/GaN量子阱太阳能电池量子阱区域的GaN垒层的厚度也具有两面性:垒层厚度过薄，电池的转换效率和开路电压较小；但是随着垒厚增加，势垒加深，使载流子的收集效率下降，影响电池的短路电流，而且垒厚增大会使阱层应力积累较大，增大了缺陷的产生，载流子的复合增大，使电池的漏电流增大，导致电池的开路电压下降。因此，在InGaN/GaN量子阱太阳能电池的设计环节中应该合理考虑量子阱区域的垒厚，权衡垒厚对电池的有效吸收带隙、载流子收集和晶体质量

11、的影响。从而使垒厚对InGaN/GaN量子阱太阳能电池的正面效应大于负面效应，使电池效率最大化。2. InGaN/GaN量子阱太阳能电池的性能优化方案 近年来，许多研究者通过对电池的制备工艺，来改善InGaN/GaN量子阱太阳能电池对光的利用率。他们从减少电池表面的光反射损失和提高电池对光的二次利用出发，来提高电池的性能，主要通过在电池前表面制备减反射结构（包括纳米结构阵列、减反射介质膜及对电池表面粗化）。在电池底面沉积反射镜、采用垂直结构的量子阱电池等。2.1 前表面制备减反射结构2.1.1 纳米结构阵列纳米结构价格适中，具有宽带、全向性和偏振不敏感的特点。因此可以作为空气和电池的有效折射介

12、质，改善空气与电池表面的折射率不匹配，减少入射光从空气进入电池时折射系数突变产生的光损失，从而达到性能优化的目的。表2列出了不同研究者制备的具有表面纳米结构的InGaN/GaN量子阱太阳能电池的性能特性。表2 表面纳米结构InGaN/GaN量子阱太阳能电池的性能特性Tab.2 Photovoltaic characteristics of InGaN MQW solar cells with nano structures2.1.2 减反射介质膜研究发现：通过对介质膜的材料、厚度、周期等进行优化，使减反射介质膜的反射谱在太阳能谱能量主要集中的波段的反射率较小，减小电池表面的反射损失；同时减反射

13、介质膜可作为钝化层，降低电池表面的复合，减小电池的漏电流4。从而达到性能优化的目的。 2.1.3 表面粗化通过对电池的窗口层进行粗化，能够减小电池表面的反射损失，增加光进入器件增益区的光学长度，提高电池对入射光的吸收。从而达到性能优化的目的。2.2 底面制备反射镜通过在电池的底层沉积较高反射率层作为反射镜来提高电池的光生电流，能够将未被电池吸收层完全吸收的光通过底面反射镜反射回本征层吸收，对光进行二次利用，提高光吸收的有效长度，增加电池的光吸收。从而达到性能优化的目的。2.3 垂直结构 通过将电池设计为垂直结构（电极位于电池的两侧），能有效减小电极的遮挡对电池光吸收的影响，同时因为电池为垂直行

14、径流通，能避免传统侧向结构所导致的电流簇拥效应对器件的影响。另外一方面：电池的衬底材料导热性能好，将电池转移到该部位，可以在一定程度上避免散热问题导致的器件性能降低，使电池发挥最大效应。图4为GaN层作为电池的前表面的结构图。 图4垂直InGaN/GaN量子阱太阳能电池结构图Fig.4 The schetnatic of verticai-typeInGaN/GaN MQW solar cells3. 小结 随着社会文明的不断进步，绿色能源的发展日新月异。开发能源已不是简单的利用能源，而是建立在保护环境，绿色环保的基础上。 InGaN/GaN量子阱太阳能电池的利用和开发正是践行这一理念。通过美

15、意环节的设计，使电池变得高效；同时在各个方面进行优化，降低成本，提高效率。希望在不久的将来InGaN/GaN量子阱太阳能电池能进入每家每户，造福人类。参考文献参考文献格式需统一！你们四个互相讨论确定。1 Kerr M J, Campbetl P, Cuevas A. Lifetime and efficiency limits of crystalline silicon solar cellsC. Photovoltaic specialists conference ,conference Record of the Twenty Ninth IEEE, 2002:438-441.2 包科

16、达,刘秀华.试论热学课程中的平衡态概念及其与细致平衡原理的关系J.大学物理，1997,16（7）：35-39.3 Redaelli L,Mukhtarova A,Valdueza-Felip S,et al.Effect of thequantum well thickness on the performance of InGaN photovoltaic cells J, Applied Physics Letters, 2014,105(13):131105.4 Lee H C,Su Y K, Chuang W K, et al.Discussion on electricalChara

17、cteristics of i-In0.13Ga0.87N p-i-n photovoltaics by usingA single/multi-anti reflection layer J.Solar Energy Material And Solar Cells,2010,94 (7):1259-1262.Design and performance optimization of InGaN/GaN quantum well solar cellsChen shao-jie(Department of Electronic Science and technology, School of physical science and technology, Inner Mongolia University, 2014)Abstract: This paper first introduces what is the InGaN/