InGaN量子阱材料的应力调控及背照射结构太阳电池研究

We have proposed a new back-illuminated InGaN multiple quantum wells(MQWs) solar cells. In this new device structure, several In-content graded InGaN layers are employed to relax the stress in the high In-content InGaN/GaN MQWs, as a result, the stress control of InGaN/GaN MQWs could be realized, and the performance of InGaN solar cells could be improved obviously. Firstly the effects of the added In-content graded InGaN layers on the stress and defects of high In-content InGaN/GaN MQWs are investigated, and the method to decrease the defects are found on the basis of clarifying the physical mechanism. Then the effects of dislocation and point defects on the performance of InGaN solar cells are investigated, and relationship between the defects and device performance are established. Finally the device structure are calculated and optimized design, at the same time, combining the technology of low-defects InGaN/GaN growth, the high performance of new InGaN solar cells with the absorbed photon energy higher than 2.4eV are realized.

本项目提出了一种新型背照射InGaN量子阱结构太阳电池，该器件结构外加了多层In组分渐变层来缓解较高In组分的InGaN失配带来的应力，实现InGaN/GaN量子阱应力调控，并获得更高质量的材料，同时背照射也能更充分地吸收入射光，提高电池效率。本项目首先通过研究渐变层的In组分、厚度、层数等对InGaN应力释放的影响，揭示其弛豫机制并进行应力调控，找到缺陷抑制方法，然后我们还要研究位错和空位缺陷对InGaN太阳能电池的影响规律，建立起缺陷与太阳能电池的影响模型，最后我们还要进行理论计算，对这种背照射组分渐变结构太阳电池进行结构设计，并结合低缺陷材料技术，研制出高性能的InGaN太阳能电池（吸收光子能量大约在2.4eV以上）。

InGaN太阳电池是一种新型半导体光伏器件，其基本结构为p-GaN/i-InGaN/n-GaN或者p-GaN/i-InGaN量子阱/n-GaN，我们研究了许多基础问题，包括p-GaN掺杂技术及机理、InGaN单层材料和量子阱外延生长、电池结构参数设计等等，特别是重点解决了InGaN量子阱的问题，并做出了InGaN太阳电池原型器件。.我们首先研究了p型掺杂技术，实验发现，p-GaN的电阻率随着材料中的碳杂质浓度增加而增加，碳杂质在P-GaN中可能会形成施主，从而补偿了受主、破坏了p型，适当降低生长速率、提高反应室压力，可以减小C杂质浓度，从而改善p-GaN质量，我们还提出了一种利用器件的IV特性计算p-GaN载流子浓度的新方法。我们发现，在InGaN材料生长中，NH3会分解出H2，从而腐蚀了In原子，过大的NH3流量，反而会造成InGaN中In的组分的降低，主要是合适的NH3流量才有利于高质量的InGaN生长；研究发现，碳杂质可以在禁带中形成深能级，起到非辐射复合中心的作用，增加反应室压力可以减少碳杂质浓度，从而增强InGaN/GaN量子阱的发光效率；我们还发现，由于应力和极化效应的存在，增加垒层厚度会减少电子泄露，从而可以提高InGaN/GaN量子阱的电注入发光性能。在器件结构方面，适当的减小p-InGaN层厚度，可以增加InGaN太阳电池的短路电流，从而提高整体转换效率，改善p型欧姆接触特性对于InGaN太阳电池性能也非常重要。在器件物理方面，我们发现，随着In含量的增加，InGaN量子阱内的背景载流子浓度增大，从而减少了有效的光吸收区域\引起太阳能电池EQE的减小，我们认为是在生长高In组分InGaN材料时，引入了更多的浅施主的氮空位缺陷，从而引起多量子阱内非故意掺杂电子浓度的增加；我们还发现，在宽而浅的阱中产生了更多的能够被有效收集的光生载流子，增大了相应的太阳能电池的EQE值，提高了其光伏性能。.最后我们综合p型掺杂、InGaN量子阱、器件结构，制备出InGaN太阳电池器件，吸收边大约为500nm，峰值量子效率超过40%，具有显著的光伏效应。本项目的研究结果可以促进InGaN太阳电池的研究和发展。