宽光谱InGaN太阳能电池极化效应的影响和调控研究

InGaN alloys have recently drawn intensive research interest because of their continuously tunable broad bandgap (0.7–3.5 eV) and superior photovoltaic characteristics, with great potential for high-efficiency multijuction solar cells (SCs) and full-spectrum SCs. Nowadays, the major challenge in InGaN SCs is the difficulty of growing thick film with high In composition. The increase in In composition and film thickness inducing phase separation and high density defects, can seriously degrade the performance of SCs. By employing heteroepitaxial thin film structure, the crystalline quality of InGaN can be effectively improved, which is an important development trend for InGaN SCs. However, the polarization effect is particularly significant in Ⅲ-nitrides heterojunction, the induced strong polarization field will adversely affect the band tuning and photo-carrier transport. Based on material physics and principles of SCs, here, we will design and simulate different structures, and investigate the effect and mechanism of polarization by adjusting the related parameters, to achieve controlling and utilizing the polarization effectively. Then through epitaxially growing the expected structure, the broad spectrum-response InGaN SCs can be developed. The achievements will upgrade the Ⅲ-nitrides SC performance, provide a novel way for the development of broad spectrum-response InGaN SCs，and accelerate the development and application of new SC structures.

InGaN材料以其连续可调的宽带隙（0.7-3.5 eV）和优越的光伏特性成为近年来研究热点，在高效多节电池和全光谱太阳电池方面极具发展潜力。当前，InGaN电池面临的最大挑战是高In组分厚膜生长困难，组分和膜厚增大所引起的相分离和高密度缺陷严重影响了电池性能。采用异质薄膜外延能有效提高晶体质量，将是InGaN电池发展的重要趋势。然而，极化效应在Ⅲ族氮化物异质结构中尤为显著，所形成的强极化场对电池的能带调制和光生载流子输运收集造成不利影响。本项目将基于材料物理和电池基本原理，引入器件功能调控的新手段，设计和模拟不同模型结构，研究极化效应的影响和作用机制，达到对其有效调控和应用目的，并在此基础上生长外延结构、研制器件，确立新型宽光谱InGaN太阳能电池的结构和制备方案。项目基础研究工作成果将有力地提升Ⅲ族氮化物电池性能，为宽光谱高效太阳电池发展提供新的研究思路，促进电池新结构的发展和应用。

InGaN材料具有连续可调的宽带隙和优越的光伏特性，理论上可制备高效多节电池和全光谱太阳电池。由于InGaN高In组分厚膜生长极具困难，通常采用异质外延提高晶体质量，然而异质结构中极化效应却调制了电池能带，对光生载流子输运收集造成不利影响。本项目从电池结构设计、性能分析、材料生长和特性研究方面对InGaN太阳能电池极化效应的影响和调控进行了研究，所得结果为进一步设计氮化物太阳能电池提供了重要参考。主要包括以下几个方面：.（1）采用MOCVD在蓝宝石衬底上生长高In组分（~ 0.25）的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池外延片，分析了该结构电池的光吸收和载流子传输特性，通过增加Al反射镜使电池效率提高8%。.（2）研究电池结构参数中的势磊层厚度和p型掺杂浓度对多量子阱结构电池特性的影响。通过材料特性和器件性能的对比研究表明电池的特性与垒厚密切相关，薄垒有助于减小极化效应，促进光生载流子的收集，但也可能伴随更大的漏电流情况。此外，有效的p掺杂对光生载流子的收集至关重要。在将来的研究中要重视这些方面的设计。.（3）深入分析研究InGaN量子阱太阳电池反常台阶型IV曲线形成的相关诱导因素和微观物理过程，发现该现象与不充分p掺杂、强极化效应、高背景电子浓度等所导致的不充分内场和器件特殊结构有关。在此基础上，对IV曲线不同程度拐点的形成条件做了进一步说明。该部分研究结果有助于电池结构设计，帮助人们分析查找器件的问题所在,研究结果也可适用于其他类型的电池。.（4）采用RF-MBE在GaN衬底上生长高In组分InGaN厚膜外延片，目标带隙为2-2.7 eV，研究Ⅲ、Ⅴ族流量和生长温度对样品的表面形貌、In的结合率和材料特性的影响，研究结果有助于进一步提高外延材料质量。.（5）为极化调控宽光谱氮化物太阳电池的进一步研究指明方向，包括高In组分材料生长、材料极性控制和电池结构设计等几个方面，并设计五种新型极化调控氮化物电池，其理论转换效率较常规氮化物电池至少都能提高30%以上。