基于纳米柱微结构的InGaN太阳能电池研究

本课题将面向制备禁带宽度为2.4～2.7 eV的高效率InGaN太阳能电池的基本科学问题，进行InGaN材料的MOCVD生长技术研究，找到外延生长高质量InGaN材料的方法和途径；研究影响InGaN材料的p型掺杂的材料机制，并实现高In组分InGaN材料的p型掺杂；研究InGaN材料中结构缺陷（位错、空位等）对电池光电转换效率的影响规律，为电池的结构设计和对材料质量的要求提供依据；同时，结合InGaN材料体系的特点，在本项目中我们首次提出一种新型的、具有纳米柱微结构的半导体太阳能电池，其特点是将太阳能电池的InGaN p-i-n结构引入到GaN纳米柱阵列中，在纳米柱的上生长包覆型太阳能电池结构，这种方法不仅可以极大地增加单位芯片上光电转换区的面积，而且纳米柱的引入可以显著降低半导体薄膜表面对太阳光的反射，有效避免外延薄膜中的穿透位错进入器件的主要工作区，提高器件的工作效率。

在本项目中，我们主要的研究工作和成果有：（1）研究了InGaN中In组分的影响因素，获得了不同In组分的InGaN材料；（2）分析了InGaN材料的应力弛豫机制，通过生长参数的调节，控制了弛豫过程，获得了高质量的InGaN材料，其（0002）面X光衍射摇摆曲线半高宽仅为180 arcsec；（3）研究了GaN纳米柱上InGaN包覆层的生长机制，制备了均匀的InGaN/GaN core-shell结构纳米柱阵列；（4）提出了少量掺O2退火改善p-GaN材料的工艺技术，并研究了p-InGaN的掺杂技术；（5）对InGaN太阳电池结构进行了模拟计算和结构优化设计；（6）制备出p-GaN/i-InGaN/n-GaN结构InGaN太阳电池，其效率达到了0.52%，并分析了缺陷对电池性能的影响机理，还研制出出InGaN/GaN量子阱结构太阳电池；（7）发表SCI论文29篇，发明专利4项，培养研究生3名。