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i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 摘要 作为i i i v 族化合物半导体太阳电池材料中新的一员，i n g a n 材 料具有在禁带宽度o 7 e v 3 4 e v 范围内连续可调，几乎覆盖整个太 阳光谱等一系列优点，引起人们的关注。本论文旨在从理论方面对 i n g a n 基超高效率太阳电池进行研究。本论文的工作、创新点主要包 括： 1 本文应用a m p s 1 d 软件对叠层i n g a n 基太阳电池( 单结、双结、三 结) 进行模拟，得到了叠层i n g a n 基太阳电池的i v 特性、能带结构、 内建电场分布等重要特性。而后本文将自己的模拟结果和相关文献的 结果进行了比较，分析了产生不同的原因：本文采用的是d o s 模 式而不是l i f e t i m e 模式，并忽略了i n g a n 材料中的缺陷，所以本文得 到的单结太阳电池效率比第四章中的参考文献 4 的结果高一些。 本文采用的软件a m p s 是基于第一性原理、太阳电池基本方程：连 续性方程和p o i n s s o n 方程，它们比光照条件下理想p n 结方程更为基 本，所以本文可以提供比相关文献更多的关于i n g a n 叠层太阳电池 的信息如能带结构等等( 第四章中的参考文献 5 】， 6 ， 7 】是基于光 照条件下理想p n 结方程，故这些文献只得到i n g a n 叠层太阳电池的 i v 特性) 。 2 本文将氢有效质量理论( h e m t ) 应用于i n g a n 基太阳电池材料( 高 i n 组分) ，得到了z - o 酊g a o n 太阳电池材料中的浅能级施主和受主的重 要性质参数电离能；在此基础上本文得到了室温条件下1 , 7 0 郇g a o n 的 浅能级施主和受主强电离时的杂质浓度范围，并估算了产生杂质能带 的最低施主和受主浓度。而后本文用a m p s 软件对含有浅能级施主 和受主的砜彤g 口o n 单结太阳电池进行模拟，详细讨论了浅能级施主 和受主能级的复合对太阳电池效率的影响。 本论文为i n g a n 基超高效率太阳电池的设计和制备提供了理论 上的参考和帮助。 关键词：i n g a n 太阳电池a m p s 模拟叠层浅能级杂质 i i t h e o i 辽t i c a ls t u d yo nt h ei n g a n b a s e d s u p e r h i g he f f i c i e n c ys o l a rc e l l s a bs t r a c t a san e wm e m b e ro fi i i v c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r sp v m a t e r i a l s ，i n g a nm a t e r i a lh a sm a n ya d v a n t a g e sb e s i d e st h a ti t sb a n d g a p v a r y i n gc o n t i n u o u s l yf r o mo 7 e v 3 4 e va l m o s tc o v e r st h ew h o l es o l a r s p e c t r u m s oi n g a nm a t e r i a la r o u s e dp e o p l e sc o n c e r nr e c e n t l y i nt h i s w o r k ，i n g a n - b a s e ds u p e r - h i g he f f i c i e n c y s o l a rc e l l sw e r er e s e a r c h e d t h e o r e t i c a l l y t h em a j o ri n n o v a t i o n si nt h i sw o r ki n c l u d e ： 1 k e yp r o p e r t i e so fi n g a n - b a s e dm u l t i j u n c t i o n ( m j ) t a n d e ms o l a rc e l l s ( s i n g l ej u n c t i o n ，d o u b l ej u n c t i o n sa n dt r i p l ej u n c t i o n s ) w e r es i m u l a t e db y a p p l y i n ga m p ss o f t w a r e ，i n c l u d i n gi - vc h a r a c t e r i s t i c 、b a n ds t r u c t u r e 、 b u i l t i ne l e c t r i cf i e l de t c t h e nw ec o m p a r e dt h er e s u l t so fo u rs i m u la t i o n w i t ht h er e s u l t so fo t h e rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sp u b l i s h e di nt h er e l e v a n t l i t e r a t u r ea n da n a l y s e dt h ec a u s e so ft h ed i f f e r e n c e s ：o w eh a v ea d o p t e d d o s m o d e l ，r a t h e rt h a nl i f e t i m em o d e l ，a n di g n o r e dt h ee f f e c t so fd e f e c t s i ni n g a nm a t e r i a l s ow eh a v eo b t a i n e dh i g h e re f f i c i e n c yf o rs i n g l e j u n c t i o ni n g a n s o l a rc e l lt h a nt h er e s u l t so ft h er e f e r e n c e 【4 】4i nc h a p t e r4 a w si sb a s e do nt h ef i r s tp r i n c i p l e ：t h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n sa n d i i i p o i s s o ne q u a t i o n ，w h i c ha r et h eb a s i ce q u a t i o n sf o rs o l a rc e l l s t h e ya r e m o r eb a s i ct h a ni d e a lp nj u n c t i o ne q u a t i o nu n d e ri l l u m i n a t i o n s ow e c o u l dp r o v i d em o r ei n f o r m a t i o na b o u ti n g a nm u l t i j u n c t i o ns o l a rc e l l s s u c ha sb a n ds t r u c t u r ee r e ( t h er e f e r e n c e s 5 】、【6 】、【7 】i nc h a p t e r4a r e b a s e do ni d e a lp nj u n c t i o ne q u a t i o nu n d e ri l l u m i n a t i o n ，s ot h e yc o u l d o n l yo b t a i ni vc h a r a c t e r i s t i ca b o u ti n g a nm u l t i j u n c t i o ns o l a rc e l l s ) 2 h y d r o g e n i c e f f e c t i v e m a s s t h e o r y ( h e m t ) h a s b e e n a p p l i e d t o i n v e s t i g a t ei n g a np vm a t e r i a l ( h i g hi nc o n t e n t ) f i r s l yt h ei o n i z a t i o n e n e r g yo fs h a ll o wd o n o r sa n da c c e p t o r si n 纸脚钒1 3 5 nw a sc a l c u l a t e d ， w h i c hi st h ev e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rd o n o r sa n da c c e p t o r s o nt h e b a s eo fi t ，t h er a n g eo fd o p i n gc o n c e n t r a t i o no fs h a l l o wd o p a n t sm a k i n g t h ed o p a n t si nt h es t o n g l yi o n i z a t i n gr e g i o nw a sc a l c u l a t e d t h er o u g h l o w e s td o p i n gc o n c e n t r a t i o nf o r m i n gi m p u r i t yb a n di n 砜6 5 g a o 3 5 nw a s a l s oo b t a i n e d t h e n 砜6 5 g a o 3 5 ns i n g l ej u n c t i o ns o l a rc e l lc o n t a i n i n g p a t i a l l y i o n i z a t e ds h a l l o wd o p a n t s ，w a ss i m u l a t e de m p l o y i n ga m p s s o f t w a r e t h ee f f e c t so fr e c o m b i n a t i o no fs h a l l o wd o p a n t so nt h e e f f i c i e n c yo fs o l a rc e l lw e r ea n l y s e da n dd i s c u s s e dt h o r o u g h l y t h i sw o r kp r o v i d et h e o r e t i c a lh e l pf o rp r e p a r i n ga n df a b r i c a t i n gt h e i n g a n b a s e ds i n g l ej u n c t i o na n dm u l t i j u n c t i o ns o l a rc e l l s k e yw o r d s ：i n g a n ；s o l a rc e l l ；a m p s ；s i m u l a t i o n ；t a n d e m ；s h a l l o w d o p a n t s ； i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：编烫 学位论文使用授权说明 步。辟 f ff 7 只| 0b 扩 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作一：撅铆签帆砷 ll 匕旯| 归 t ， 广西大学硕士学位论文i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 1 1 太阳能及其利用 第一章，5l 言弟一早i 甬 可再生能源是关系到国民经济长远发展的重要战略问题。地球上的绝大多数能源 如风能、水能、化学能、生物能等归根结底都来源于太阳( 所谓万物生长靠太阳) 。随 着全球范围内的能源危机的日益严重和环境问题的日益恶化，人们对太阳能这种取之 不尽，用之不竭的绿色能源越来越重视。眼下科技创新被认为是世界经济走出2 0 0 8 年 全球性金融危机困境的主要动力，而光伏( p v ) 产业潜在的广阔市场也逐渐被人所认 识。诺贝尔奖获得者，“世界太阳能之父”m a r t i n g r e e n ：“无论光伏产业向着什么方向 发展，未来十年将是令人振奋的时期。 【1 1 1 1 1 太阳能的优缺点 太阳能有许多重要的优点：1 广泛性，大量性( 取之不尽，用之不竭) ：据计算，仅 一秒钟太阳发出的能量就相当于1 3 亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。而到达地球表 面的太阳能，大约相当于目前全世界所有发电能力总和的2 0 万倍。地球每天接收的太 阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的2 0 0 倍。2 清洁性( 绿色) 。3 独立性：可以进 行远程供电如卫星供电、航海供电等；如果遇到战争，不会因为受到局部攻击，而使全 局电力瘫痪。 太阳能也有其缺点：1 分散性：需要有很大的受光面积；这一点可以通过聚光太阳 电池予以克服。2 间歇性：如遇到黑夜、阴雨天；这一点可以通过储能装置予以克服。 1 1 2 太阳光谱 大气层之外的太阳光不受大气层影响，称为a m 0 光谱，太空太阳电池常用此光谱 标定。由于大气层对太阳光的吸收，地面上的太阳光相对a m 0 光谱应有所减弱；减弱 的程度和太阳光经过大气层中的距离有关。 广西大学硕士学位论文 l n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 2 1 7 5 1 ! 婚 2 5 瑚 口。巧 o j 静 a z o 图1 1 太阳光入射地球 f i g 1 - 1s u n l i g h ti n c o m i n gt h ee a r t h 囊t mo l o - o ar f n e i p o c t r a ! 瓢 三黧w m 口n m - r i r e r ：g t , 。器t l m l l 0 1 0 r 鬟r m 2 m - ，卜j o” l； ； x 豫 孙叁 ；| 薏卜 f i8 矿l 譬飞隔 i 拗钠7 舶1 0 1 ；t 曙1 0 姗 柏列啪翻渤z ，2 1 5 0 ，口x 嘲绷3 渤4 0 0 0 w m , u l o n g l hn m e 仃w 幸m 2 宰n m 1 ( a m 0 ) g l o b a lt i l tw * m 2 * n m 1 ( a m1 5 漫射光) d i r e e t + c i r c u m s o l a rw * m 2 * r i m 一1 ( a m i 5 直接光) 图1 2 太阳光谱 f i g 1 - 2s o l a rs p e c t r u m 2 甲e暑峰量蕾嚣薯一，是一i毫ds 广两大学硕十学位论文l n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 如图1 1 所示根据不同的z ( 从而太阳光经过大气层中的距离也不同) ，将地面上的 太阳光谱分为：a m l 光谱( z = o ) ，a m l 5 光谱( z = 4 8 2 0 ，最常用) ，a m 2 光谱( z = 6 0 0 ) 。 图1 2 是a m 0 、a m l 5 光谱辐照度，数据来源于a s t m 。 1 1 3 太阳能的利用 从图1 3 可以看出太阳能转化为电能主要有两种方式：光伏( p v ) 、光热电转换。目 前世界对光伏发电的研究远超过对光热电转换的研究。本论文也只讨论光伏发电。 太阳 1 2 太阳电池发展概况 1 2 1 半导体材料发展 初步应用( 如太阳能热水器、空 调) 图1 3 太阳能的利用 f i g 1 3t h ea p p l i c a t i o no f s o l a re n e r g y 半导体材料由于其特殊的能带结构，材料性能容易受外部影响和控制【2 】，广泛应用 于国民生活的方方面面。因为目前用于制备太阳电池的材料主要是半导体材料( 日前用 于制备太阳电池的材料还包括有机、塑料、光电化学电池等，但目前还不属于主流) ，所以 有必要简介一下半导体材料的发展状况。 半导体材料的发展大致可分为三个阶段。第一代半导体材料：s i ，g e ；第二代半导体 材料g a a s ，i n p 等化合物半导体。第三代半导体材料：s i c ，z n s e ，g a n ，a 1 n 及金刚石 等宽禁带半导体，其中以g a n 为杰出代表。 广西大学硕士学位论文 i n g a n 基超商效率太阳电池理论研究 第三代半导体材料的微结构、光学性质和电学性质与s i 和g a a s 有许多不同。近 十年来，以三族氮化物为代表的宽禁带半导体材料与器件发展迅猛，对信息科学技术 的发展和应用起了巨大的推动作用，被称为继以s i ，g a a s 为代表的第一，第二代半导 体后的第三代半导体。以g a n ，i n g a n 为代表的i i i ，v 族化合物半导体材料是宽禁带 半导体材料，并且具有热导率高，介电常数低，电子漂移饱和速度高等特点，适合于 制作高频、高功率、高温、抗辐射和高密度集成的电子器件，利用其宽直接带隙的特 点，还可以制作蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探测器件。 回顾半导体事业取得的巨大成就，我们对未来充满信心。中国科学院院士谢希德： “在半导体物理和半导体器件物理发展起来的微电子和光电子技术，发展速度更为惊 人，而且发展势头在近十余年来有增无减。”1 3 】 1 2 2 太阳电池发展 自1 9 5 4 年美国贝尔实验室第一个单晶硅太阳电池( 效率6 ) 问世以来，太阴电 池发展大致经历了三个阶段。第一代太阳电池：晶体硅( 包括单晶硅和多晶硅) 太阳 电池。第二代太阳电池：非晶硅、多晶硅薄膜，化合物薄膜太阳电池如有名的g a a s 太阳电池、c u i n x g a l 嗡( s e v s , y ) ( c i g s ) 太阳电池、c d t e 太阳电池( 有毒性) 都属于化 合物薄膜太阳电池，本论文研究的i n g a n 太阳电池也属于化合物薄膜太阳电池。第三 代太阳电池( m a r t i n g r e e n ) ：利用低维纳米微结构材料，超晶格，量子阱，纳米点， 纳米线的特殊性能以及半导体的能带论制造出高效，低价，实用的光伏材料和器件。 纳米叠层电池还会因为其能带，电位的特性，具有高的能转换效率。 目前层叠太阳电池的最高实际效率大致为( a m l 5 光谱) ：双结3 0 6 ( i n g a p g a a s ) 和三结3 3 3 ( i n g a p g a a s i n g a a s ) 4 1 ( 根据目前最新数据最高实际效 率较之有一点增长，但增长不大) 。图l - 4 是一个太阳电池阵列的例子。 4 r 人学m i 学位论i i b g a n4 超目教书 m 电池月* w f 究 圉嚣躺雏研究所1 0 0 k w 太阳能并网发电系统 i3 太阳电池的分类 图卜4 太珥1 电池阵列”1 f i g1 - 4s o l a rc e l l v 5 1 按照不同的分类标准，太阳电池有多种分类。按结构来分，太阳电池u ，分为：同 质( p n ) 结a 阳电池，异质结太阳电池，肖特基结( m s 接触形成阻挡层，具有势垒) 太阳 电池，复合太阳电池，液结太阳电池。按材料来分，太阳电池可分为：硅( 包括单品， 多晶和非晶) 太阳电池，化合物半导体太阳电池( 本论文研究的 n g a n 太阳电池是其 的一个新成员) ，有机a 阳电池硒光太阳电池。按用选来分，太阳f 乜池可分为：地面 太阳电池，太卒太阳电池( 一般采用a m 0 光谱标定其效率) ，光伏传感器。按1 作方 式，太阳电池可分为：平板太阳电池，聚光太阳电池，分光太阳电池。 广两大学硕士学位论文l n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 1 4 太阳电池的基本原理 1 4 1 光照半导体( 本征光吸收) 前已提及半导体具有特殊的能带结构：导带全空、价带全满，而且禁带宽度不大。 正是由于这样特殊的能带结构，使得半导体性能容易受外部影响和控制，具有金属和 绝缘体所没有的一些重要性质。本征光吸收就是一个非常重要的例子。本征光吸收过 程参见图1 5 。 h v 一e g 吸收 h v 取，电子吸收光子后一般也总是停 留在导带底，多余的能量将通过和晶格的相互作用以热( 声子) 的形式释放出去。这 可以从能量最低原理来理解，或者更严格地从玻尔兹曼分布来理解：d n = g ( e ) 厂( e ) ， g ( e ) 是态密度，f ( e ) 是玻尔兹曼分布函数( 由于非简并半导体的费米能级在禁带中央， 而且离导带底和价带顶的距离远大于k t , 所以电子( 费米子) 的费米分布可近似为玻尔 兹曼分布) 。明确这一点对太阳电池而言是很重要的：对单一禁带宽度的半导体要选择 最佳的禁带宽度( 并不是禁带宽度越小越好) 。由细致平衡理论得到的在a m i 5 g 光 谱( g 是指g l o a l ，是漫射的意思) 下单结太阳电池的极限效率大致为3 3 。为了进一 步提高效率，人们设想把太阳电池制造成多结形式( 由多种禁带宽度的子电池串联而 成) 。本论文的第四章将对多结i n g a n 太阳电池进行详细的讨论。 1 4 2 光生伏特效应( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) 本文主要讨论半导体太阳电池。半导体太阳电池的是以半导体光生伏特效应进行工 作的，如：p n 结太阳电池的主要工作原理是p n 结光生伏特效应，肖特基结太阳电池的 主要工作原理是肖特基结光生伏特效应，异质结太阳电池的主要工作原理是异质结光生 伏特效应。下面以p n 结光生伏特效应( 图1 6 ) 为例，介绍一下半导体光生伏特效应。 7 广西大学硕士学位论文 i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 p 图1 - 6p n 结 f i g 1 - 6p n j u n c t i o n e c e 筘 光照半导体，由于本征光吸收，光在半导体体内产生大量的电子空穴对。在p 区 在离空间电荷区一个扩散长度范围光生少数载流子电子可以扩散到空间电荷区，在空 间电荷区强电场的作用下被扫到n 区，在1 3 区积累电子。同理在n 区在离空间电荷区 一个扩散长度范围光生少数载流子空穴可以扩散到空间电荷区，在空间电荷区强电场 的作用下被扫到p 区，在p 区积累空穴。于是在p n 结两端就形成了光电压【2 】。这就是 光生伏特效应。 1 4 3 太阳电池的效率计算 典型的p n 结太阳能电池的i v 特性曲线如图1 7 所示，实线为太阳能电池的光照 特性曲线，虚线表示p n 结的暗i v 特性，它是光电池在在无光照条件下自身偏置所引 起的。太阳能电池的总电流是其饱和光电流和暗电流的代数和。对于理想的p n 结而言， 由于饱和光电流与电压无关，所以输出特性与暗特性的形状相似，可以看作在暗特性的 基础上，沿电流轴下移了饱和光电流的量。 在光照情况下，当电池短路时，v = 0 ，此时的光电流i l 叫短路电流i s c ，接近于饱和 光电流；当电池开路时，光生载流子使光电池的电压升高，直到光电流完全抵消暗电流 为止，这时光电压v 为开路电压v o c 。除去短路电流和开路电压外，表征太阳能电池效 率的还有重要参数填充因子f f 。太阳能电池在一个特殊的工作点( v m p ，i m p ) 会使输 8 子穴 电疹一 锡 广西大学硕士学位论文 i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 出的功率最大，引进填充因子f f 。它是输出特性曲线方形程度的量度。其值在o 7 o 8 5 范围内。太阳电池效率可表魏7 7 = v m 己p i m p = 半，这是一个重要斌 图卜7 p n 结太阳能电池的i 叫特性 f i g i - 7 i vc h a r a c t e r i s t i co f p nj u n c t i o ns o l a rc e l l 1 5 光电转换的极限效率( 1 i m i t i n ge f f i c i e n c y ) t 里论简介 1 5 1 热机效率回顾 为了更好地理解光电转换的极限效率( 1 i m i t i n ge f f i c i e n c y ) 理论，先简要回顾一下热 力学中有关热机( 热能转换为机械能) 的极限效率问题。 在1 8 世纪末和1 9 世纪初热机时，热机的效率是很低的，只有3 5 左右，即 9 5 以上的热量都没有得到利用。为了提高热机的效率，人们做了很多的工作，但从 1 7 9 4 年到1 8 4 0 年，热机的效率也仅由3 提高到8 。这样，在生产需要的推动下， 不少科学家和工程师开始从理论上来研究热机的效率。【8 】 在提高热机效率的过程中人们发现了热力学的第二条基本定律热力学第二 定律。反过来，热力学第二定律又指导热机效率的提高，得到卡诺定理：工作在两个 9 广西大学硕士学位论文i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 恒温热源间的热机以可逆机( 熵增为。，卡诺热机) 效率为最高，其效率为r = l _ t 2 i 。 这就为提高热机效率提供了理论依据：1 尽量提高高温热源的温度，而降低低温 热源的温度2 尽量避免散热。 经过不断改进，目前热机最高的效率为4 0 左右，不过联合式热机的效率要更一 些。 1 5 2 光电转换的极限效率 i t t 上q n a。 y ： 7 l l n 图1 - 8 热机 f i g 1 - 8e n g i n e l t 2 与热机的极限效率理论类似，他也有两个方面的作用：l ，给出某种假设条件下 的最高效率( 这点对审稿人尤为重要) 2 ，从理论上为设计光伏器件提供理论上的指导， 如m u l t i c o l o rl i m i t 理论可为叠层电池中各级子电池禁带宽度匹配提供依据、表格1 - 1 中的“i m p l e m e n t a t i o n ”。在热力学第二定律、细致平衡方程、各种不同的假设条件( 如 黑体假设) 的基础上，目前人们得到在a m o 光谱下的有关光电转换的极限效率结果 如表1 1 所示( d i r e c t 表示直接光，g l o b l e 表示漫射光) 。其他各种假设条件下的极限效 率都有可能通过器件设计达到，只有卡诺极限无法达到【l j ： 下 r = 1 一詈= l 一丽3 0 0 = 9 5 ( 其中3 0 0 k 是地球温度，6 0 0 0 k 是太阳光球层温度) 1 0 广西大学硕士学位论文i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 表卜1 光电转换的极限效率吩1 t a b l e1 - 1l i m i t i n ge f f i c i e n c yf o rp ve n e r g yc o n v e r s i o n l 9 1 n l i m i t 1 ) i 糟ng l o h a i i m p l e m c n t a t i o n 喇碴蝣曙 9 3 3 话7 3 7 c i r c u l a t o r s a a l e n a a ? m u m c d o 噼酶嚣酩2 铬融c 龈i o r t a r d e mc e l l s i m p a c t 嘲幅捌猢 b l a c k b o d y 9 5 4 5 3 石 轴：f l 黝lc i c c 菇c t 殛m 姊i k 蝴) 砌函c i l i o 删随 u p - & d d 错静玺嘎眦l 把撰 3 1 e v e l嚣4 9 3 璐3c v l i5 t a c k i n - 椰t yp v i r r 职a r i t yi 豫l 讨 u p * c o m ，e f t e r s 畦o w l 卜c o l 冉芒1 1 糖 ：c e l l , 筇j ：铝强2 e e l i 照a c k s i n g l e i 址n c i c m 4 t # ， 3 i f 玉 s i n g l ej u n c t i o a s 妖鼹k a b o m t o r y 奠3 0 3e e l lk 湖* l d c f l t l 5 - l - l n i r dg e n e r a t i o n 1 6 本论文的工作和安排 本论文主要围绕i n g a n 太阳电池的模拟和理论计算展开。 在第二章中，本文小结了i n g a n 太阳电池的优点和研究现状、目前存在的主要实验 问题。并归纳了i n g a n 材料的材料参数。 在第三章中，本文谈了一些a m p s 软件的学习体会。 在第四章中，本文应用a m p s 软件对层叠i n g a n 基太阳电池进行模拟，得到了层 叠i n g a n 基太阳电池的i v 特性、能带结构、内建电场分布等重要特性。而后本文将 自己的模拟结果和相关文献的结果进行了比较，分析了产生不同的原因。 在第五章中，本文将氢有效质量理论( h e m t ) 应用于i n g a n 基太阳电池材料( 高i n 组分) ，得到了砜筋g a o ，太阳电池材料中的浅能级施主和受主的重要性质参数电离能， 在此基础上本文得到了室温条件下砜。，g a o ，；n 的浅能级施主和受主强电离时的杂质浓 度范围，并估算了产生杂质能带的最低施主和受主浓度。而后我们用a m p s 软件对含有 浅能级施主和受主的砜酗g a 0 ，n 单结太阳电池进行模拟，详细讨论了浅能级施主和受主 能级的复合对太阳电池效率的影响。 广西大学硕士学位论文 l n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 2 1g a n 和i n n 2 1 1g a n 第二章i n g a n 基太阳电池 在第一章已经说过g a n 是第三代宽禁带半导体材料的代表( 室温下纤锌矿g a n 的禁带宽度大约为3 4 e v ) 。g a n 是直接禁带，因而具有较大的吸收系数和直接复合系 数，很适合用来制作光电子器件。g a n 具有热导率高，介电常数低，电子漂移饱和速 度高等特点，适合于制作高频、高功率、高温、抗辐射和高密度集成的电子器件；利用 其宽直接带隙的特点，还可以制作蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探测器件。 g a n 有三种晶格结构：纤锌矿( w z ，六方口相；见图2 1 a ) ，闪锌矿( z b 。立方 相；见图2 1 b ) ，岩盐( n a c l ) 。对g a n ，纤锌矿是稳态结构；闪锌矿是亚稳态结构； 岩盐只在极端高压情况可见，自然界中找不到。图2 2 是纤锌矿和闪锌矿结构原子堆积 次序。表2 1 是纤锌矿g a n 和闪锌矿g a n 的基本材料参数。图2 3 是纤锌矿g a n 和闪 锌矿g a n 的能带图。 两步法生长g a n 是现在g a n 生长的标准工艺，其关键技术是采用低温生长g a n a 1 n 作为缓冲层。g a n a 1 n 缓冲层中的结构缺陷是释放应力从而导致外延层晶体质量提高的 主要原因。低温缓冲层不仅为高温外延生长提供了成核中心，也成为应力释放中心，采 用改进方法生长的g a n 外延层的质量得到了大幅度的提高。 影响g a n 基器件的发展的另一大难题是p 型掺杂的问题。a m a n o 等无意中发现掺 m g 半绝缘的g a n 经过电子束照射后g a n 发光增强，迸一步研究发现m g 受主被低能 电子束激活。n a k a m u r a 等发现7 0 0 8 0 0 左右在氮气中热退火也可以活化受主m g ，并 阐明了在原生g a n ：m g 中，m g 受主是被h 原子所钝化，低能电子束辐照或中温退火可 破坏m g 。h 络合体，激活受主，实现高浓度p 型掺杂。p 型掺杂取得突破，为g a n 器 件进一步发展奠定了坚实的基础。常用的生长g a n 薄膜的方法是m b e 、m o c v d 、 h v p e ，他们之间的对比见表2 2 。 1 2 广西大学硕士学位论文l n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 表2 - 1 纤锌矿g a n 和闪锌矿g a n 的基本材料参数 仉l b l e2 1t h eb a s i cm a t e r i a lp a r a m e t e r sf o rw zg a na n dz bg a n 纤锌矿g a n闪锌矿g a n 禁带宽度 e g = 3 3 9 e v ( 3 0 0 k ) ；e g = 3 5 0 3 e v ( 1 6 k )e g = 3 2 e v ( 3 0 0 k ) 晶格常数 口= 3 1 8 9a ；c = 5 1 8 5aa = 4 5 0 a 带隙温度系数 d e g | d i = _ 6 0 x 1 0 一e v k ( t 1 8 0 k ) 带隙压力系数 a e , d p = 4 2 x 1 0 3 e v k b a r ( 3 0 0 k ) 热膨胀系数 a a a = 5 5 9 x 1 0 。6 k ；c c = 3 1 7 x 1 0 巧k 热导率 彤= 1 3 形c m kk = 2 形c m k 折射率 n ( 1 e v ) = 2 3 3 ；n ( 3 3 8 e v ) = 2 6 7n ( 1 e v ) = 2 1 5 介电常数 占，= 9c r = 8 5 表2 - 2m b e 、m o c v d 、h v p e 比较 t a b l e2 - 2t h ec o m p a r i s i o no f m b e 、m o c v d 、h v p e 啦菠拨术忧纷 l 锈赞 j 鹱f 缎界阿竣少琢倪静犍 腺馋厚艘照舱 i n r h $ 潲牦带大 m o c v d 搿整畿缝鹰 由m g - h 复凝结衡次定! l g p 掰m g 掺袭 超赢腹鬣瀚腰 蒋耍避吁垒长贯掺勰擞潺j 二笼 痛丝产鬻 艘奉适中 墩千缎雾嬲篙娶翘商甏空 龋能袋纭低嗜妖遽壤( 1 l 却m h 推 蕊姹暖像路低溺唪睦 晃铤繇缱低宠产薰 掰戳馇绷够惠彳体或青濑兜避行楠 斌零端赞 胁生长 绚謦的噬长拽朱稚平研辫断 l 孙b 翅尚生长远率程鬣气环臻串工作 被高质敏绚瓣膜较商蛆废条件 礁体两o - n 1 3 广西大学硕士学位论文i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 a 走歼囟一 图2 - 1 纤锌矿( a ) 和闪锌矿( b ) f i g 2 1w zg a n ( a ) a n dz bg a n ( b ) a 卜 n 盘d 缸各蝴 b b 图2 - 2 纤锌矿( a ) 和闪锌矿( b ) 原子堆积次序 f i g 2 - 2w zg a n ( a ) a n dz bg a n ( b ) 1 4 叶 6 a o c 8 c b b 8 巷 广西大学硕士学位论文i n g a n 基超高效率太阳电池理论研究 错瞄触 ? 勘嘴 繇* 蝴州 3 0 0 k ；e g = 3 3 9e ve v ；e m 】l _ 4 5 5 3e v ；e a ：4 7 5 5e v ；e , o = 0 0 0 8e v ； e 伢= 0 0 4e v a z 融霉b 鲰痨嚣 e r e r f f x t 嘲坳八 如动概 。、。 彻谚k 旃3 立剥 卜嘲略鲮e x m 4 6o 、 蕺 岳l m l 毒窑- ! i * a 。微i i i o。 s # i t o f ft m a 3 0 0 k ；e g = 3 2e ve v ；e x = 4 6e v ；e l = 4 8 - 5 1e v ；e = 0 0 2e v b 图2 - 3 纤锌矿( a ) 和闪锌矿( b ) g a n 的能带图 f i g 2 - 3t h eb a n do fw zg a n ( a ) a n d z b6 a n ( b ) 【1 1 1 5 广西大学硕士学位论文 i n g a n 基超高效牢太阳电池理论研究 2 1 2 纤锌矿i n n 表2 - 3 纤锌矿i n n 基本材料参数 t a b l e2 - 3t h eb a s i cm a t e r i a lp a r a m e t e r sf o rw zi n n 禁带宽度0 7 e v 2 , 3 1 ( 原来认为1 8 9 e v 4 】) 晶格常数a = 0 3 5 3 3 n m ，c = 0 5 6 9 3 n m 热膨胀系数 a 。= 3 8x1 0 巧k ，口。= 2 9 x1 0 。6 k 热导率 k = 1 3 w c m k 红外折射率 2 9 介电常数 占，= 1 5 3 2 2i n g a n 太阳电池材料的优点 随着刚刚修改的i n n 的禁带宽度0 7 e v 2 , 3 1 ，砌。g q 一。n 合金的禁带宽度在0 7 e v ( i n n ) 3 4 e v ( g a 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i n g a n 层叠太阳电池提供了可能性。最近本文作者【5 】和文博等人【6 j 证实了，对理 想的i n g a n 材料，双结电池高于3 0 ，三结电池高于4 0 的理论效率是可能的。 由i i i v 族化合物半导体制成的i n g a p ( i n ) g a a s g e 太阳电池在实践上已经取得了一 定程度上的成功( 见第一章层叠太阳电池最高效率报导) 。作为i i i - v 族化合物半导体太 阳电池材料中新的一员，i n g a n 材料作为候选的太阳电池材料除了禁带宽度在o 7 e v 3 4 e v 连续可调这个最大的优点外，还有许多优点：由于它具备高硬度，耐高温，耐辐 射的优点，i n g a n 材料非常适合于制备超高效率的太空太阳电池。由于它是直接禁带材 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【6 l 。对层叠太阳电 池而言，同一设备生长多结l n g a n 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：i n g a p ( i n ) g a a s g e 系列太阳电池) 方便了许多【6 1 ；更重要的是由于它属于同一 合金体系( 1 n g a n 基) i n g a n 层叠太阳电池各层之间应该具有较好的热膨胀匹配、电 1 6 广两大学硕士学位论文i n g a n 基超高效牢太阳电池理论研究 子亲和势匹配，满足制备层叠电池材料所必需的苛刻条件。另外低i n 组分的l n g a n 材 料已成功用于制备蓝光激光器( l d ) 、蓝光发光二级管( l e d ) 、紫外探测器，这为应用 i n g a n 材料制各i n g a n 太阳电池提供了技术准备。但是目前高质量、高i i l 组分的i n g a n 材料生长还有一些困难如：相分离、i n n 中很高的2 平衡蒸汽压、p 型掺杂。据我们所 知，关于成功制备i n g a n 太阳电池的报导还非常少。 2 3i n g a n 基太阳电池研究现状 一些小组报导了他们对i n g a n 太阳电池的研究。在实验方面：j a n i 等人【7 8 1 制备并分析 了他们的 k i i n 组分的i n g a np i n 和量子阱太阳电池；c u i b a iy a n g 等人1 9 】制备并分析了他 们的低i i l 组分的i n g a np n 结单结太阳电池( p 层e g = 2 7 e v , n 层e g = 2 8 e v ) ，其制备的电池 在3 6 0 n m 的紫外光下的特性是：厶= 3 4 x1 0 m a c m _ 2 、= 0 4 3 v 、f f = 0 5 7 ，其论文并 没有报导电池在全太阳光谱下的工作特性。在理论方面：x i a o b i n gz h a n 9 0 0 1 优化了 n o 。，g a o n 单结太阳电池，不过在其论文中没有对太阳电池中的杂质和缺陷进行详细的 讨论；x i a o m i n gs h e n 等人1 5 】、h a s n ah a m z a o u i 等人f l l 】、m dr a f i q u li s l a m 等人【1 2 j 和文博 等人【6 】均从理论上分