p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池性能的影響及機(jī)理

周 梅， 趙德剛

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 應(yīng)用物理系， 北京 100083; 2. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池性能的影響及機(jī)理

周 梅1， 趙德剛2*

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 應(yīng)用物理系， 北京 100083; 2. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

研究了p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池性能的影響。模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著p-InGaN層厚度的增加，InGaN太陽電池效率降低。較差的p-InGaN歐姆接觸特性會破壞InGaN太陽電池性能。計(jì)算結(jié)果還表明，無論歐姆接觸特性好壞，隨著p-InGaN層厚度的增加，短路電流下降是導(dǎo)致InGaN電池效率降低的主要原因。選擇較薄的p-InGaN層有利于提高p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池的效率。

InGaN； 太陽電池； p-i-n結(jié)構(gòu)

1 引 言

高效率太陽電池是解決能源問題的一個重要途徑，也是當(dāng)今國際研究的熱點(diǎn)之一。目前Si、Ge、GaAs等常規(guī)電池材料都不能完全覆蓋所有太陽光譜，制約了太陽電池效率的進(jìn)一步提高。被稱為第三代半導(dǎo)體的GaN及其系列材料(包括InN、GaN、AlN及其合金)的出現(xiàn)為太陽電池效率的提高帶來了希望，尤其是InGaN材料的禁帶寬度變化范圍達(dá)到了0.7～3.4 eV[1-2]，幾乎覆蓋了整個太陽光譜，在太陽電池的應(yīng)用方面具有很大的潛力。國際上已經(jīng)在InGaN太陽能電池的研究方面開展了一些工作，并且已經(jīng)研制出太陽能電池的原型器件[3-9]，其轉(zhuǎn)換效率在3%左右。從目前國際研究結(jié)果的報道來看，大多數(shù)側(cè)重于材料生長和工藝技術(shù)的研究，對于理論上的研究比較少。InGaN作為一種新型太陽電池材料，從理論上進(jìn)行器件的模擬和計(jì)算，研究各個參數(shù)對電池性能的影響，揭示其物理機(jī)理，可以很有效地指導(dǎo)實(shí)際的電池制備，提高電池效率。InGaN太陽電池一般采用p-i-n結(jié)構(gòu)，本文主要研究了p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN單結(jié)太陽能電池的短路電流、開路電壓、轉(zhuǎn)換效率等性能的影響，還計(jì)算了在歐姆接觸不好的情況下，p-InGaN層厚度對InGaN太陽電池的影響，討論了其物理機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)較薄的p-InGaN層有利于電池性能的提高。所以，在實(shí)際的p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN電池制備中應(yīng)該適當(dāng)減小p-InGaN層厚度。

2 模擬計(jì)算所采用的器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1是本文模擬所采用的p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN電池示意圖，包括p-InGaN層、i-InGaN層(弱n型)和n+-InGaN層，光從正面入射。考慮到實(shí)際的材料情況，在本文的模擬計(jì)算中，所有InGaN層的禁帶寬度都為1.5 eV，i-InGaN層的載流子(電子)濃度固定為1×1017cm-3，n+-InGaN層的載流子濃度都固定為3×1018cm-3，p-GaN層的載流子濃度固定為1×1017cm-3。我們采用美國賓州大學(xué)提供的AMPS(Analysis of microelectronic and photonic structures)軟件對器件性能進(jìn)行模擬計(jì)算，該軟件通過求解泊松方程和連續(xù)性方程，能夠?qū)Π雽?dǎo)體器件的特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析[10-11]，對半導(dǎo)體太陽電池而言， 更是對其特性進(jìn)行分析的有力工具。在模擬計(jì)算過程中，我們主要研究了p-InGaN層厚度對結(jié)構(gòu)太陽電池的短路電流、開路電壓、轉(zhuǎn)換效率等性能的影響，還比較了p-InGaN厚度在不同歐姆接觸情況下對太陽電池性能的影響，分析了其物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減薄p-InGaN層厚度有利于電池效率的提高。

圖1 模擬計(jì)算中所采用的p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池示意圖

Fig.1 Schematic diagram of p-i-n structure InGaN solar cell in this work

3 結(jié)果與討論

本文首先研究了歐姆接觸很好的情況下p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)太陽電池的影響，然后研究了歐姆接觸性能對太陽電池的影響規(guī)律，對其物理機(jī)制進(jìn)行了討論。

3.1 p-InGaN歐姆接觸良好情況下對InGaN太陽電池的影響

我們研究了金屬與p-InGaN層形成良好的歐姆接觸時的太陽電池性能(金屬與p-InGaN勢壘高度幾乎等于0)。圖2是電池轉(zhuǎn)換效率與p-InGaN層厚度的關(guān)系。可以看出，當(dāng)p-InGaN厚度為20 nm時，電池的效率為最大，達(dá)到了20.732%。當(dāng)p-InGaN層的厚度為50，100，200，300 nm時，對應(yīng)的電池效率分別為19.771%、16.042%、10.319%、7.477%。也就是說，當(dāng)p-InGaN層厚度進(jìn)一步增加時，電池效率卻在下降。從圖2的計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：電池的效率隨著p-InGaN層厚度的增加而下降，薄層p-InGaN有利于高效率InGaN太陽電池的研制。我們還研究了p-InGaN層厚度對InGaN太陽電池的短路電流和開路電壓的影響。如圖3所示，當(dāng)p-InGaN層的厚度為20，50，100，200，300 nm時，對應(yīng)的短路電流密度分別為24.442，24.027，21.805，13.679，9.324 mA/cm2?？梢钥闯?，隨著p-InGaN層厚度的增加，短路電流基本上呈下降趨勢。而開路電壓則不一樣，當(dāng)p-InGaN層的厚度為20，50，100，200，300 nm時，對應(yīng)的開路電壓分別為0.997，1.02，1.041，1.053，1.056 V，隨著p-InGaN層厚度的增加，開路電壓基本變化不大。結(jié)合圖2和圖3的研究結(jié)果，可以得出結(jié)論：隨著p-InGaN層厚度的增加，開路電壓變化非常小，但是短路電流逐漸下降，所以轉(zhuǎn)換效率下降，適當(dāng)減薄p-InGaN層厚度有利于獲得高效率InGaN太陽電池。我們這里要強(qiáng)調(diào)的是：p-InGaN層不能無限減薄，如果p-InGaN層厚度減小到0，這個p-i-n結(jié)構(gòu)就變成了肖特基結(jié)構(gòu)。我們對該結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，其電池轉(zhuǎn)換效率僅為0.159%，主要是開路電壓太小，僅為0.022 V。

圖2 InGaN太陽電池轉(zhuǎn)換效率與p-InGaN層厚度的關(guān)系

Fig.2 Dependence of the conversion efficiency of InGaN solar cells on the p-InGaN layer thickness

圖3 InGaN太陽電池的短路電流密度和開路電壓與p-InGaN層厚度的關(guān)系

Fig.3 Dependence of the short-circuit current density and open-circuit voltage of InGaN solar cells on the thickness of p-InGaN layer

為了揭示p-InGaN層厚度對InGaN電池性能影響的物理機(jī)制，我們研究了其能帶結(jié)構(gòu)。圖4是p-InGaN層厚度分別為20 nm和300 nm時的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出：費(fèi)米能級的差值(此時約等于導(dǎo)帶的能量差值)與p-InGaN層厚度關(guān)系不大。一般來說，半導(dǎo)體太陽電池的最大開路電壓基本上等于費(fèi)米能級的差值[12]，所以隨著p-InGaN層厚度的增加，開路電壓變化很小。而短路電流則不同，當(dāng)p-InGaN層比較薄時，絕大部分光生電子空穴對都在電場區(qū)，從而被內(nèi)建電場分開，也能形成較大的光電流；而當(dāng)p-InGaN層較厚時，電場區(qū)離表面還有一段距離[13]，這樣很多光生載流子不能擴(kuò)散到電場區(qū)，也就不能形成光電流，此時電池的短路電流就會很小。所以隨著p-InGaN層厚度的增加，短路電流逐漸減小，整體轉(zhuǎn)換效率降低。

圖4 p-InGaN層厚度分別為20 nm和300 nm時的InGaN太陽電池導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)

Fig.4 Conduction band structure of InGaN solar cells with different p-InGaN thickness of 20 nm and 300 nm, respectively.

3.2 p-InGaN歐姆接觸不好情況下對InGaN太陽電池的影響

由于高質(zhì)量的p-InGaN材料生長十分困難，所以p-InGaN歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)難度也很大?？紤]到在實(shí)際的器件制備中，金屬與p-InGaN之間不一定形成良好的歐姆接觸，我們也研究了歐姆接觸不好的情況下，p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池性能的影響。

圖5為不同接觸勢壘情況下，p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池的轉(zhuǎn)換效率與p-InGaN層厚度的關(guān)系?？梢钥闯觯瑹o論歐姆接觸好壞，隨著p-InGaN層厚度的增加，InGaN電池的效率都在降低。但是歐姆接觸特性對InGaN電池的轉(zhuǎn)換效率也有顯著影響。以p-InGaN層的厚度20 nm為例，當(dāng)金屬與p-InGaN層接觸的勢壘高度為0時，此時歐姆接觸特性非常好，電池的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了20.732%；當(dāng)金屬與p-InGaN層接觸的勢壘高度為0.2 eV時， 電池的轉(zhuǎn)換效率降低到了16.151%； 當(dāng)金屬與p-InGaN層接觸的勢壘高度為0.5 eV時，此時歐姆接觸特性非常差，已經(jīng)成了肖特基結(jié)，電池的轉(zhuǎn)換效率也降低到了9.383%?？梢姎W姆接觸特性對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN電池的轉(zhuǎn)換效率有重要影響。

圖5 不同接觸勢壘情況下，InGaN太陽電池的轉(zhuǎn)換效率與p-InGaN層厚度的關(guān)系。

Fig.5 Dependence of the conversion efficiency on p-InGaN thickness under different contact barriers

圖6為不同接觸勢壘情況下的InGaN電池的短路電流與p-InGaN層厚度的關(guān)系。可以看出，無論歐姆接觸情況好壞，隨著p-InGaN厚度的增加，InGaN電池的短路電流都在下降，但是下降的程度與歐姆接觸特性好壞緊密相關(guān)。在p-InGaN層厚度為20 nm的情況下，當(dāng)接觸勢壘分別為0，0.2，0.5 eV時，對應(yīng)的短路電流密度分別為24.442，24.173，24.355 mA/cm2，此時基本上沒有太大差別。在p-InGaN層厚度為300 nm的情況下，當(dāng)接觸勢壘分別為0，0.2，0.5 eV時，對應(yīng)的短路電流密度分別為9.324，6.014，5.109 mA/cm2，此時的短路電流密度隨接觸勢壘的增大而下降明顯。可見歐姆接觸不好會大大降低短路電流，從而破壞器件的性能。

圖6 不同接觸勢壘情況下，InGaN電池的短路電流密度與p-InGaN層厚度的關(guān)系。

Fig.6 Dependence of the short-circuit current density on p-InGaN thickness under different contact barriers

圖7 不同接觸勢壘情況下，InGaN電池的開路電壓與p-InGaN層厚度的關(guān)系。

Fig.7 Dependence of the open-circuit voltage on p-InGaN thickness under different contact barriers

我們還研究了不同歐姆接觸情況下InGaN電池的開路電壓與p-InGaN層厚度的關(guān)系，如圖7所示。無論歐姆接觸特性如何，隨著p-InGaN層厚度的增加，開路電壓都有所增加，但是增加程度與歐姆接觸特性緊密相關(guān)。當(dāng)接觸勢壘為0 eV，p-InGaN層厚度為20，50，100，200，300 nm時，相應(yīng)的開路電壓分別為0.997，1.02，1.041，1.053，1.056 V，此時增加幅度很小。當(dāng)接觸勢壘為0.2 eV，p-InGaN層厚度為20，50，100，200，300 nm時，相應(yīng)的開路電壓分別為0.80，0.839，0.986，1.03，1.038 V，此時開路電壓的增加已比較明顯。當(dāng)接觸勢壘為0.5 eV，p-InGaN層厚度為20，50，100，200，300 nm時，相應(yīng)的開路電壓分別為0.50，0.539，0.744，0.882，0.892 V，開路電壓隨p-InGaN層厚度的增加而顯著增大。另外，歐姆接觸特性對開路電壓的影響也很大，在p-InGaN層厚度為20 nm的情況下，當(dāng)接觸勢壘分別為0，0.2，0.5 eV時，對應(yīng)的開路電壓分別為0.997，0.80，0.50 V，此時開路電壓差別很大；而在p-InGaN層厚度為300 nm的情況下，當(dāng)接觸勢壘分別為0，0.2，0.5 eV時，對應(yīng)的開路電壓分別為1.056，1.038，0.892 V，此時開路電壓差別變小。

圖8 接觸勢壘為0.5 eV時，不同p-InGaN層厚度的器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)。

Fig.8 Conduction band of InGaN solar cells with different p-InGaN thickness, where the metal to p-InGaN contact barrier is 0.5 eV.

我們研究了p-InGaN歐姆接觸特性不好情況下InGaN太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)。圖8為接觸勢壘為0.5 eV，p-InGaN層厚度分別為20，100，300 nm時器件的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)p-InGaN層厚度為300 nm時，金屬與p-InGaN表面形成了很強(qiáng)的電場，這個電場與p-i-n結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場方向相反，那么這兩個電場區(qū)形成的光電流方向也相反，所以此時的短路電流很小。當(dāng)p-InGaN層厚度為100 nm時，金屬與p-InGaN表面形成的電場被消弱了很多，此時的短路電流相對增加。當(dāng)p-InGaN繼續(xù)減小到20 nm時，p-InGaN表面電場基本消除，所以此時的短路電流最大。另外，從圖8的能帶結(jié)構(gòu)也可以看出，p-i-n結(jié)區(qū)的內(nèi)建電勢隨著p-InGaN層的厚度增加而增大，也說明p-InGaN層較厚時的開路電壓更高。

結(jié)合圖5～8的結(jié)果來看，歐姆接觸對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池效率的影響主要是減小了短路電流所致，而且隨著p-InGaN層厚度的增加，短路電流下降更多。為了獲得較高效率的InGaN太陽電池，應(yīng)該適當(dāng)減小p-InGaN層厚度。

4 結(jié) 論

通過模擬計(jì)算，主要研究了p-InGaN層厚度對p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN單結(jié)太陽能電池的短路電流、開路電壓、轉(zhuǎn)換效率等性能的影響，并討論了其物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，良好的p-GaN層歐姆接觸特性能夠得到高性能的InGaN太陽電池，無論歐姆接觸特性好壞，較薄的p-InGaN層均有利于電池性能的提高。因此，在實(shí)際的p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN電池制備中，不僅需要改善歐姆接觸特性，而且應(yīng)該適當(dāng)減小p-InGaN層厚度。

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Effect of p-InGaN Layer Thickness on The Performance of p-i-n InGaN Solar Cells

ZHOU Mei1, ZHAO De-gang2*

(1.DepartmentofPhysics,CollegeofScience,ChinaAgricultureUniversity,Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:dgzhao@red.semi.ac.cn

The effects of p-InGaN layer thickness on the performance of p-i-n structure InGaN solar cells were investigated. Through theory calculation, it is found that the conversion efficiency of InGaN solar cells decreases with the increasing of p-InGaN thickness. The poor Ohmic contact properties of metal to p-InGaN also have a negative effect on the performance of InGaN solar cells. The short-circuit current reduces obviously with the increasing of p-InGaN thickness, simultaneously the conversion efficiency of InGaN solar cells decreases. The performance of InGaN solar cell could be improved by employing a relatively thin p-InGaN layer.

InGaN; solar cell; p-i-n structure

周梅(1973-)，女，山東淄博人，副教授，2005年于中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子器件的研究。

E-mail: mmmzhou@126.com

趙德剛(1972-)，男，湖北鐘祥人，研究員，2000年于中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子材料與器件的研究。

E-mail: dgzhao@red.semi.ac.cn

1000-7032(2015)05-0534-05

2015-02-10；

2015-03-25

國家自然科學(xué)基金(61474142,11474355,21403297)資助項(xiàng)目

TN304.2

A

10.3788/fgxb20153605.0534