垂直结构InGaN 薄膜太阳能电池研究

With the adjustable bandwidth and perfect match with solar spectrum, Indium Gallium Nitride (InGaN) solar cells, as one new type of semiconductor cells, have led the edge of the III-group nitrides and photovoltaic devices research field all over the world. However, with the increase of In composition and material thickness，InGaN-based material appeared phase separation and large amount of defects, which reduces the internal quantum efficiency and affects the photo-induced carriers transmission. Besides, the conventional structure with electrodes on the same side brought negative influence on carrier transport, light incidence and size enlargement. In order to break through the restriction of traditional InGaN solar cells, in this program, research will be focused on phase separation of InGaN, crystal defect generating mechanism, structure on the influence of photoelectric conversion efficiency, and photo-induced carrier generation and transmission mechanism. On that basis, InGaN-based solar cell with vertical structure will be developed, which adopting vertical electrodes to solve the problem of carrier transport and electrodes absorption, roughing surface to increase external quantum efficiency, adding bottom reflector to decrease absorption area for relief of the phase separation and crystal defect in InGaN. This program will provide a novel way for the performance enhancement and practical application research of InGaN-based solar cells.

InGaN太阳电池凭借其带宽可调且与太阳光谱完美匹配的特点，已成为国际上氮化物材料和新型高效太阳电池领域的研究热点。然而，随着In组分和材料厚度的增加，InGaN材料出现相分离和产生大量缺陷，不仅降低了器件的内量子效率，也对光生载流子的传输过程产生了重要影响。此外，目前普遍采用的同侧电极结构也给电池的载流子输运、光入射以及尺寸增大带来了不利影响。为突破传统InGaN太阳能电池的限制，本项目将对InGaN材料相分离及晶体缺陷产生机制，器件结构对光电转换效率的影响机理，光生载流子产生及传输过程进行深入研究。在此基础上研制垂直结构InGaN太阳能电池，采用垂直电极结构解决电流传输和电极吸光问题，利用电池表面粗化提高器件外量子效率，通过增加底部反射镜使吸收区的厚度减小，进而缓解InGaN材料的相分离和晶体缺陷产生。本项目将为InGaN太阳能电池性能的提升以及实用化器件的研制提供新的研究思路。

Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物InGaN材料具有连续可调的直接吸收带隙，理论上可用于制备高效空间太阳能电池和全光谱太阳能电池。具有反射镜的垂直结构InGaN太阳能电池，能够增加器件的光吸收效率，缓解电流拥挤效应，有效提高电池性能。本项目从材料特性研究、制备工艺、器件的设计和性能分析等方面对垂直结构InGaN/GaN量子阱太阳能电池进行了研究，所得结果为进一步设计高效率InGaN太阳能电池提供了指针。主要结果包括以下几个方面：.（1）在蓝宝石衬底上生长了In组分为36%的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池外延片，分析了多量子阱材料的光吸收和载流子传输特性，研究了势磊层厚度的对材料特性的影响，分析了极化效应对InGaN/GaN多量子阱太阳能电池特性的影响。.（2）利用理论模拟手段分析了电池各层的厚度、浓度等对器件光学性能的影响；模拟发现谐振腔结构对材料的光吸收性能和电池的特性有很大的影响，在此基础上提出了垂直结构谐振腔增强(RCE)型InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，并优化设计了器件结构。预计RCE太阳电池的效率可以达到3.32%，是传统同侧电极器件的2.13倍。.（3）研究了垂直结构RCE电池制作的关键工艺，包括键合技术、激光剥离技术、金属反射镜制作、表面粗化技术等。.（4）制备了具有Al反射镜的垂直结构RCE型In0.17Ga0.83N/GaN量子阱太阳能电池。在一个太阳光的模拟光谱照射条件下，获得太阳能电池的短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和转换效率（η）分别为1.6mA/cm2、1.9V、74.6%和2.3%，外量子效率（EQE）响应谱覆盖360nm到450nm波段。预计在聚光测量条件下（如300个太阳光谱）能都达到理论预测的超过3%的转换效率。.（5）为了进一步扩宽电池的光谱响应，制备了垂直结构RCE型 In0.26Ga0.74N/GaN量子阱太阳能电池，同时制备了没有反射镜的器件作对比。相比没有反射镜的器件，添加Al反射镜的电池Jsc和η分别提高了48%和56%。电池的EQE响应谱覆盖了360nm到510nm波段，显然器件在长波段的外量子效率获得了提升。但是当In组分增大时材料的质量仍然有所下降，引起器件性能的提升不如预期，有待材料生长技术的进一步发展提高。