InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的制备及其特性研究

摘要

作为第三代半导体材料，InGaN凭借其优异的光伏特性，近年来已成为国际上关注的热点。InxGa1-xN合金不仅具有连续可调的直接带隙结构(0.7～3.4 eV)，其吸收光谱几乎与太阳光谱完美匹配，还具有高吸收系数、高电子迁移率、高硬度、耐高温、抗辐射能力强等优点，是实现全光谱太阳能电池的理想材料，在高效太阳能电池方面展现出了巨大的发展潜力。本文以InGaN/GaN多量子阱太阳能电池为核心，在材料表征、器件制备、性能测试、极化效应对器件的影响等多方面进行了细致深入的研究工作，主要研究成果包括以下几个方面:
　　(1)制作了In组分为0.2的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，将电池的光谱响应拓展到475nm并获得了良好的光电响应特性，峰值内外量子效率分别为16.5％和33.2％。器件的整体性能较佳，开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)及转换效率(η)分别为2.16V、0.55 mA/cm2、60.1％和0.64％。
　　(2)研究了In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱太阳能电池的光电特性。高分辨率X射线衍射(HRXRD)及原子力显微镜(AFM)的测试结果显示，多量子阱结构的界面清晰、周期性良好，是器件开路电压较高的主要原因。器件的反射、透射和吸收谱显示，量子阱的吸收边位于475 nm左右。结合器件外量子效率谱的测试结果，我们发现较薄的吸收层厚度会导致器件对入射光的吸收不充分，进而影响了器件短路电流和光谱响应。器件I-V测量结果表明，p型接触引起的器件的串联电阻增大也是影响器件短路电流和填充因子的重要原因。此外，电池外延片材料质量的多项表征及反向暗电流的测试的结果还显示，材料内部的V型缺陷和螺位错也是影响器件性能的重要因素，提高材料质量是关键。
　　(3)分析了极化效应对InGaN/GaN多量子阱太阳能电池特性的影响。在原有太阳能电池测试系统的基础上加入了可调衰减片，不同聚光度下器件的I-V特性曲线及外量子效率谱的分析结果表明，极化效应是引起器件I-V曲线产生拐点的主要原因之一并影响着拐点的位置。随着极化程度的加剧，器件的串联电阻增大，填充因子减小，拐点逐渐往高电压向方向移动。通过对不同偏压下外量子效率谱的分析，发现极化效应引起量子阱有源区内净电场减小甚至反转，不利于光生载流子的有效收集;量子阱能带发生倾斜并产生了附加势垒，严重阻碍了光生载流子的输运，导致器件的外量子效率下降。通过实验测试和理论计算的对比分析，提出极化效应引起光生载流子收集效率下降，增大了光生载流子在收集过程中发生非辐射复合的几率，导致反向饱和电流增大，开路电压下降。改善极化效应对于提升InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能至关重要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 太阳能电池的发展历史

1．1．2 InGaN太阳能电池的研究意义

1．1．3 InGaN太阳能电池的研究进展

1．1．4 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池的特点

1．2 InGaN太阳能电池存在的问题及挑战

1．2．1 高In组分InGaN材料的生长

1．2．2 极化效应的影响

1．2．3 p型掺杂及欧姆接触

1．3 本论文的研究内容与结构安排

参考文献

第二章 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池研究基础

2．1 太阳能电池基本原理

2．1．1 太阳能电池的基本工作原理

2．1．2 太阳能电池的光电特性及主要表征参数

2．2 InGaN材料的生长技术及表征方法

2．2．1 MOCVD生长技术

2．2．2 InGaN材料的光电特性表征方法

2．3 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池制备工艺的主要设备及测试方法

2．3．1 太阳能电池制备工艺主要设备

2．3．4 测试系统及测试方法

2．4 本章小结

参考文献

第三章 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池的制备及特性分析

3．1 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池材料及光学特性分析

3．2 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池的制备

3．3 InGaN／GaN多量子阱太阳能电池的性能分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 极化效应对InGaN／GaN多量子阱太阳能电池特性的影响

4．1 Ⅲ族氮化物材料中的极化效应

4．1．1 极化产生的原因

4．1．2 自发极化与压电极化

4．1．3 极化效应的计算

4．2 极化效应对器件的影响

4．2．1 测试原理及方法

4．2．2 极化效应对InGaN／GaN多量子阱太阳能电池特性的影响

4．3 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

硕士期间发表的论文

致谢