In_1_x_Ga_xN_Si异质结太阳能电池的光伏特性研究

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1、第25卷第4期　　　　　　佛山科学技术学院学报(自然科学版)Vol.25No.42007年7月　JournalofFoshanUniversity(NaturalScienceEdition)Jul.2007文章编号:100820171(2007)0420001205In1-xGaxNöSi异质结太阳能电池的光伏特性研究董少光(佛山科学技术学院光电子与物理学系,广东佛山528000)摘要:通过器件模拟对n2In1-xGaxNöp2Si异质结的光伏特性进行了研究,并与c2Si同质结薄膜电池的性能作了比较。研究表明:在A

2、M1.5的光照条件下,n2IGNöp2Si异质结在最佳的电池设计、最佳的材料和最佳的操作参数条件下获得的电池效率达到了27%。电池效率受到薄膜质量的强烈影响,从电子亲和势、多数载流子的迁移率、少数载流子的寿命、薄膜厚度以及掺杂水平的变化可以得到说明。关键词:太阳能电池;InGaN;光伏特性;光致发光中图分类号:TM914.4文献标识码:A研究表明,GaN或AlN与InN固态溶液混合,其混合物的光学带隙可以在非常大的范围内调整,即可以从电磁光谱的近红外区域到紫外区域的范围内进行调整。对InNöSi异质结太阳能电池优越的

3、光[1,2]伏特性的报道,是假设InN有直接的光学带隙,光子能量处在1.9eV附近。这个值与在AM0辐射条件下获得的光谱条件非常吻合。[1]对于InN沉积在Si衬底上的串联电池,据报道其效率可达到30%。尽管纤锌矿的InN薄膜沉积在Si衬底(111)方向上的质量还是不错的,但是InN薄膜对Si衬底(0001)平面还是有8%的晶格失配,对Ge衬底晶格失配却不到1%。此外,IV族半导体p2型掺杂技术能做得很好。应该强调的是,当前InN薄膜背景掺杂水平是可退化的高n2型,人工的p2型掺杂还很难做到。1　实验最近,利用改进的

4、MOCVDöMOVPE薄膜沉淀方法,得到纯InN薄膜的光学特性与以前的描述有[3]所不同,表现出直接带隙Eg有明显的红移,Eg大约为0.7eV。由于InN的Eg减少的缘故,对相当好质量的薄膜,还可以观察到InNöSi的异质结薄膜电池的光伏特性和获得的电池效率G与报道的不同并[1,2]明显偏低。对带隙减少的InN材料来说,要求对Eg重新调整,以增加电池效率G。将InN与GaN或AlN熔合,形成In1-xGaxN或In1-xAlxN的固态溶液的方法,其中只要x的组分适当,就可以获得与太阳光谱匹配的理想材料。然而,与实验前

5、分析的优越的电池性能相反,最初制作的In1-xGaxNöSi异质结表现出相当差的光伏特性,主要有以下几个原因:(1)用IV族半导体元素作为In1-xGaxN合金薄膜沉积的衬底,对形成高质量的p2n结是不利的。实验得出,在生长IGN薄膜最初阶段中,与多晶形成相联系的电池电阻,与富N的气流中的氮化物夹层[1,2](SixNy或GexNy)绝缘。这几乎抑制了光电效应。(2)由于薄膜的柱状生长特征,产生了高颗粒密度边界以及与此相联系的点缺陷和外延缺陷,对增收稿日期:2007203226基金项目:广州市LED工业研究开发基地、

6、香港健隆投资有限公司研发资助项目作者简介:董少光(19702),男,江西景德镇人,佛山科学技术学院讲师,博士研究生。2佛山科学技术学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第25卷加少数载流子散射和减少载流子寿命有明显影响。(3)在其他的杂质如C和H2中,In1-xGaxN薄膜呈现出在整个薄膜内有很高的氧污染。这种情况主[4]要是由于高温诱导衬底材料中的氧向外扩散,并与载流子的传输特性有关。由以上分析可知,电池的倒置排列是有利的,首先底部的IGN合金薄膜沉积在无氧的、性能较好的衬底如AlN,BN,GaN材料上。然后

7、将IV族作为窗口层沉积到III2V族薄膜上。在实验中,使用半导体器件模拟器研究分析了两个p2n结的光伏特性,这两个p2n结为n2In1-xGaxNöp2Ge和n2In1-xGaxNöp2Si(0

8、出的少数载流子的原始数据以及生长在硅衬底和蓝宝石衬底的InN和IGN薄膜层的结构特性。2　结果与讨论[5]半导体器件模拟器是用于测试电池光伏特性。模拟器适合间接带隙半导体材料。从p2n结表面的复合率和p2n结两边的肖特基接触势垒两个方面来考虑顶层和底层接触的影响。在AM1.5的光谱条件下,入射光通过IV族窗口层进入到该器件。计算两层薄膜在光照下