宽带光吸收材料的原位非平衡超掺杂及其在太阳电池中的应用研究

The bandgap of InGaN alloy semiconductor can be tunable continously in the range of 0.7eV and 3.4eV, therefore it can be used in optoelectronic and electronic devices, especially in the full spectrum high efficiency solar cells. At present, the progress in InGaN-based solar cells with relatively low In contents is limited due to the dificulities in the growth of InGaN thin films with high In contents, such as phase separation (PS) etc. In this project, laser molecular beam epitaxy (LMBE) will be used to grow high quality single phase InGaN thin films with high In contents on non-polar Si(100) substrates by using the extremely non-equilibrium condition of LMBE and in-situ super heavy doing to suppress PS. We will investigate the photovoltaic properties of InGaN/Si heterostructure with the aim to use InGaN as novel photovoltaic materials. In addition, the growth mode at the early stage of the InGaN grown on Si(100) during the LMBE proocess will be monitored in-situ by using RHEED in order to obtain high quality InGaN/Si heterostructure without PS. The research results can be used to design and prepare InGaN-based high efficiency solar cells.

InGaN三元合金的直接带隙宽度可在0.7eV至3.4eV之间连续可调，它在光电子和电子器件中都具有重要应用价值，在太阳电池中也有良好应用前景。之所以它目前的研究进展缓慢，关键是因为高质量富In单相InGaN材料的制备还存在相分离等技术难题。本项目计划利用激光分子束外延（LMBE）薄膜制备技术在Si(100)衬底上制备高质量高In组分单相结构的InGaN合金薄膜，充分利用LMBE技术中脉冲激光与靶材作用后形成的极端非平衡等离子体以原位非平衡超掺杂的方式来抑制InGaN相分离的产生，同时考察InGaN/Si异质结的光伏特性，初步将InGaN用于太阳电池的研制。在LMBE生长过程中，通过RHEED原位监测手段控制在Si(100)衬底表面上InGaN外延层早期的生长模式，制备出没有相分离而表面界面特性良好的InGaN/Si异质结太阳电池，为InGaN基太阳电池的研制探索出一种新的制备方法。

本项目利用LMBE薄膜制备系统在p-Si等衬底上依次沉积多层半导体薄膜，以构筑成n-InGaN/p-Si等结构的异质结太阳电池。按照对器件结构的设计，最上面的窗口层可以用AZO或ITO靶材来沉积透明电极。在项目实施期间，我们主要围绕上述器件结构中的关键材料，进行了相关薄膜的制备及测试分析。除此之外，我们还开展了InGaN/Si异质结太阳电池的工艺研究与模拟计算，取得了较大的进展。主要研究结果如下：.1、以Al2O3(0001)为衬底、AlN作为缓冲层生长GaN薄膜时，实验表明激光能量为150mJ/p时，可制备出结晶质量较好的GaN薄膜。当沉积时间为1h时，薄膜呈二维层状模式生长，为(0002)方向择优取向的六方GaN结构。.2、由GaN薄膜的Uv-vis光学性能计算出其禁带宽度为3.28eV。根据第一性原理，计算出其禁带宽度为1.89eV，比实验值要小。这是由于计算过程中Ga3d态的能量被最大化估计，导致Ga3d和N2p之间的相互作用变大，使得价带带宽变大而带隙值变小。.3、以Si(100)为衬底、AlN/TiN为缓冲层生长GaN薄膜时，当激光能量为220mJ/p，N2气分压为0.1Pa，衬底温度为750℃时，可以得到立方结构的GaN薄膜。.4、理论计算表明当靶材与基片的倾斜角为0°时，靶材激光照射点处的法线与基片相交的点处形成的膜厚度最大，以该点为中心，基片两侧膜厚呈对称分布；当靶材与基片的倾斜角不为0°时，基片左右两侧膜厚不对称分布。.5、随着掺杂浓度NA的升高，电池的电流密度JSC和填充因子FF随之升高，当到达一定高的掺杂浓度范围时（NA＞5.00×1017cm-3），JSC基本保持不变，约为28.12mA/cm2，FF保持在0.85左右且变化不大。开路电压VOC和光电转换效率Eff与掺杂浓度的大小呈正相关关系，随着NA的增大，VOC、Eff缓慢增大。.6、由于相对平坦的表面和GaN薄膜晶体度的增加，光学带隙从原始样品的2.25 eV变为2.95 eV，并且在800℃退火后光电性能增强。