不同周期數(shù)的GaInAs/GaAsP多量子阱太陽能電池

張奇靈,堯　舜*,楊翠柏,張　楊,陳丙振,常曉陽,王智勇

（1.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124； 2.瑞德興陽新能源技術(shù)有限公司，廣東中山 528437）

不同周期數(shù)的GaInAs/GaAsP多量子阱太陽能電池

張奇靈1,堯舜1*,楊翠柏2,張楊2,陳丙振1,常曉陽1,王智勇1

（1.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124； 2.瑞德興陽新能源技術(shù)有限公司，廣東中山 528437）

為了研究不同量子阱周期數(shù)下GaInAs/GaAsP多量子阱太陽能電池性能的變化規(guī)律，利用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MOCVD）制備了不同周期數(shù)的雙結(jié)多量子阱太陽能電池樣品以及無量子阱雙結(jié)結(jié)構(gòu)的參考樣品，利用高分辨率X射線衍射儀（HXRD）和高分辨率透射電鏡（TEM）測試了樣品的晶體質(zhì)量，同時在AM0（1×）光譜條件下測試了樣品的I-V特性曲線和相應(yīng)子電池的外量子效率。最終得到了高晶體質(zhì)量、吸收截止波長在954 nm的Ga0.89In0.11As/GaAs0.92P0.08多量子阱結(jié)構(gòu)，擴展波段的外量子效率最高達到75.18%，電池光電轉(zhuǎn)換效率相對于無量子阱結(jié)構(gòu)提升2.77%。通過對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著量子阱結(jié)構(gòu)周期數(shù)的增加，太陽能電池在擴展波段（890～954 nm）的外量子效率不斷提高，常規(guī)波段的短波響應(yīng)（300～700 nm）會出現(xiàn)下降，長波響應(yīng)（700～890 nm）會出現(xiàn)上升，短路電流和轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)提升并趨于飽和。

GaInAs/GaAsP；量子阱；外量子效率；太陽能電池

1 引 言

多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體太陽能電池在空間電池技術(shù)中具有很大的優(yōu)勢，在陸地聚光發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越具有競爭力［1-2］。

多結(jié)電池的常規(guī)結(jié)構(gòu)在材料選擇上受限于晶格匹配的條件，轉(zhuǎn)換效率存在Shockley-Queisser極限［3］。常規(guī)的Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge材料組合并不是三結(jié)結(jié)構(gòu)最優(yōu)的帶寬分配方案，在給定其他子電池材料的情況下，GaInAs子電池的最優(yōu)帶寬應(yīng)小于Ga0.99In0.01As的帶寬［4］。為了在常規(guī)電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步提升轉(zhuǎn)換效率，需要在GaInAs子電池中引入窄帶隙材料以拓寬其光譜吸收范圍，應(yīng)力平衡的GaInAs/GaAsP多量子阱太陽能電池就是在這個基礎(chǔ)上提出來的。與普通太陽能電池相比，在GaInAs子電池中引入量子阱可以使電池的光譜響應(yīng)范圍得到擴展，同時也使太陽能電池結(jié)構(gòu)的帶隙具有了可調(diào)性。雖然窄帶隙材料的引入會帶來開路電壓的下降，但在聚光條件下，量子阱部分產(chǎn)生的光生電流能對開路電壓的下降進行有效補償，使電池整體的轉(zhuǎn)換效率得到有效提升［5］。

在實際應(yīng)用中，首先要確定的往往是材料組分、材料厚度等有關(guān)應(yīng)力平衡的重要參數(shù)，但除了這方面的考慮，還需要確定引入不同周期數(shù)的量子阱結(jié)構(gòu)對太陽能電池性能的影響。國內(nèi)外有關(guān)量子阱電池的報道大多集中在對單個樣品的性能分析，其中最為突出的是吸收截止邊在940 nm處、外量子效率約50%的多量子阱結(jié)構(gòu)，最終對電池貢獻了額外的2%轉(zhuǎn)換效率［4，6-8］，但量子阱周期數(shù)對電池性能影響的研究卻很少有人涉及。本文制備了不同周期數(shù)的雙結(jié)GaInAs/GaAsP多量子阱太陽能電池樣品，得到了性能更好的量子阱結(jié)構(gòu)，同時對量子阱周期數(shù)對電池光電特性參數(shù)及光譜響應(yīng)的影響進行了研究。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料生長

為排除三結(jié)電池中子電池電流匹配的干擾，本文通過雙結(jié)電池結(jié)構(gòu)（Duel-junction solar cells，DJSC）進行比較研究。所有的結(jié)構(gòu)均采用Ge（100）偏＜111＞6°襯底，外延生長設(shè)備為Veeco K475 As/P系統(tǒng)，其中Ⅲ族源為TMGa、TMIn，Ⅴ族源為經(jīng)過純化的AsH3、PH3。為了便于參考，本文使用同一批次的襯底生長了無量子阱的常規(guī)雙結(jié)電池結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換效率一般在23%左右（@ AM0，1×）。用于實驗對比的量子阱雙結(jié)電池（Quantum well duel-junction solar cells，QWDJSC）是在常規(guī)結(jié)構(gòu)的發(fā)射層和基區(qū)之間引入了不同周期數(shù)的量子阱，周期數(shù)40/60/100分別對應(yīng)著樣品A/B/C。除了周期數(shù)的差異外，其他材料參數(shù)完全一致。其中設(shè)計的量子阱材料為Ga0.89In0.11As/ GaAs0.92P0.08，阱層厚度為15 nm，壘層厚度為25 nm，生長溫度在580～650℃之間。

圖1　樣品結(jié)構(gòu)。（a）常規(guī)雙結(jié)結(jié)構(gòu)；（b）多量子阱雙結(jié)結(jié)構(gòu)。Fig.1 Structure of the samples.（a）DJSC.（b）QWDJSC.

對于應(yīng)力平衡的多量子阱結(jié)構(gòu)，其整體的等效晶格常數(shù)可用以下模型進行計算，并以此預(yù)測材料在X射線衍射下?lián)u擺曲線的零級峰位置。

其中a1、a2分別為勢阱、勢壘本征材料的晶格常數(shù)，t1、t2分別為兩種材料的厚度，a0即為量子阱結(jié)構(gòu)的等效晶格常數(shù)。將本文的設(shè)計參數(shù)帶入模型得到等效晶格常數(shù)為0.565 97 nm，與Ga0.99In0.01As的0.565 73 nm非常接近，對應(yīng)的零級峰峰位在Ga0.99In0.01As左側(cè)112 arcsec處，晶格近乎匹配。

3 測試結(jié)果和討論

3.1量子阱晶體質(zhì)量

實驗中樣品C的勢阱材料總厚度超過了1 μm，為了檢驗其中的量子阱結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量，對樣品C進行了HXRD和TEM測試，測試設(shè)備分別為Bede QC200型X射線雙晶衍射儀和Hitachi H9000高分辨透射電鏡，結(jié)果如圖2、3所示。在HXRD的測試結(jié)果中，各級衍射峰清晰且半寬極窄，半高寬普遍在15 arcsec左右，而且次級衍射峰的半寬隨著級次增加沒有出現(xiàn)明顯展寬的趨勢，衍射峰之間的Pendell?sun峰也比較銳利。這說明即使在周期數(shù)增加到100的情況下，多量子阱結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量和界面粗糙度依然良好。測試曲線中，零級峰峰位在-63 arcsec處。

通過模擬分析軟件對實驗曲線進行擬合，得到樣品結(jié)構(gòu)的擬合參數(shù)，其中GaxIn1-xAs組分x= 0.888 3，厚度為14.89 nm，GaAsxP1-x組分x= 0.914 5，厚度為26.78 nm，與設(shè)計參數(shù)基本一致。將擬合結(jié)果帶入式（1），得到等效晶格常數(shù)為0.565 81 nm，對應(yīng)零級峰峰位在-39 arcsec處，與實測值很接近。

圖2　樣品C的XRD實驗曲線和擬合曲線Fig.2 Experimental XRD curve and fitting XRD curve of sample C

在TEM的測試結(jié)果中，可以看到清晰的分層界面，且沒有出現(xiàn)晶格弛豫造成的界面波動現(xiàn)象，說明量子阱結(jié)構(gòu)應(yīng)力補償?shù)男Ч芎?，量子阱的厚度在臨界厚度的范圍之內(nèi)。根據(jù)標尺比例大致測算，阱層厚度和壘層厚度分別為（15.57±1）nm和（27.25±1）nm。

圖3　樣品C的TEM測試結(jié)果Fig.3 TEM result of sample C

3.2量子阱周期數(shù)對電池光電參數(shù)的影響

在單倍AM0光譜照射條件下對實驗樣品進行I-V電性能特性測試，樣品I-V曲線與電性能數(shù)據(jù)分別如表1和圖4所示。在量子阱周期數(shù)為60和100的樣品中，電池轉(zhuǎn)換效率均增加了2.7%左右，極大提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

表1　樣品的I-V性能參數(shù)Tab.1 I-V performance parameters of the samples

圖4　樣品的I-V特性曲線Fig.4 I-V curves of the samples

轉(zhuǎn)換效率的收益主要因為短路電流Isc有了明顯增加，其中樣品A增加了43.3 mA，樣品B和C均增加62 mA左右。樣品C的短路電流并沒有隨著量子阱周期數(shù)的增多而持續(xù)增加，呈現(xiàn)出飽和的狀態(tài)。從表中可以看到量子阱的引入對FF的影響并不大，而開路電壓雖然有所下降，但隨著量子阱周期數(shù)的增加，樣品A、B、C的開路電壓基本保持不變，所以作為這幾個參數(shù)的綜合結(jié)果，轉(zhuǎn)換效率的變化規(guī)律與短路電流的規(guī)律基本保持一致——增高到一定值后出現(xiàn)飽和。同時，樣品A、B的開路電壓和FF與樣品C基本相同，也說明了樣品A和樣品B的晶體質(zhì)量同樣良好，3個樣品的量子阱結(jié)構(gòu)并沒有帶來新的位錯或者缺陷。

3.3量子阱周期數(shù)對光譜響應(yīng)的影響

在晶體質(zhì)量良好的情況下，量子阱周期數(shù)的增加并沒有帶來更高的電流收益。針對這點，本文對不同量子阱周期數(shù)下Isc的變化機制做了進一步的研究。通過EQE的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著量子阱周期數(shù)的增加，電池結(jié)構(gòu)對光譜的吸收效果也發(fā)生了不同的變化。首先，加入量子阱后，因為窄帶隙材料的引入，GaInAs子電池對光譜的吸收截止波長從890 nm擴展到了954 nm左右。隨著量子阱周期數(shù)的增加，擴展波段內(nèi)的最高外量子效率分別為38.89%、55.27%、75.18%。值得注意的是，隨著量子阱周期數(shù)的增加，樣品B在短波波段（300～700 nm）的量子效率略微下降，樣品C下降更為明顯。在700～890 nm波段，樣品B、C的量子效率則隨著周期數(shù)的增加而不斷提高。在現(xiàn)象最為明顯的樣品C中，短波方向量子效率的大量損失很大程度上抵消了長波方向量子效率提高所帶來的好處。因此，雖然樣品C在擴展波段上的量子效率達到了75%，但其短路電流并沒有提高。

圖5　EQE測試結(jié)果Fig.5 External quantum efficiencies of the samples

造成這一現(xiàn)象的主要原因是耗盡區(qū)材料吸收系數(shù)的變化，GaAs體材料與Ga（In）As/GaAsP量子阱材料對光譜的吸收性能有很大的差異，量子阱材料在短波方向的吸收性能弱于GaAs材料，而長波方向則正好相反［10］。吸收系數(shù)的差異不僅源于材料體系以及材料的禁帶寬度等方面，還與材料所在的內(nèi)建電場的場強大小有關(guān)［11-12］。隨著量子阱材料周期數(shù)的增加，內(nèi)建電場強度不斷減弱，使得不同周期數(shù)的量子阱材料吸收性能也產(chǎn)生了變化。

綜上所述，在設(shè)計量子阱參數(shù)時，除了需要考慮量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡，還應(yīng)當(dāng)考慮不同量子阱周期數(shù)下電池性能表現(xiàn)出來的內(nèi)在變化。綜合成本以及晶體質(zhì)量的考量，人們往往會希望量子阱結(jié)構(gòu)在帶入更多光生載流子的同時能夠越薄越好，按照這個標準，樣品B就是一個非常適合參考的例子。

4 結(jié) 論

制備了高晶體質(zhì)量、高量子效率的Ga0.89In0.11As/ GaAs0.92P0.08多量子阱雙結(jié)太陽能電池，電池轉(zhuǎn)換效率的提升高達2.77%。隨著量子阱周期數(shù)的增多，太陽能電池在擴展波段以及長波段的外量子效率不斷提高，在短波段的外量子效率出現(xiàn)下降，電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率逐漸提高，最終趨于飽和。

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張奇靈（1992-），男，江西婺源人，

碩士研究生，2013年于北京工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體化合物材料的研究。

E-mail：zhangqiling0113@emails.bjut. edu.cn

堯舜（1979-），男，重慶人，博士，副研究員，2006年于中科院長春光機所獲得博士學(xué)位，主要從事高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)以及半導(dǎo)體化合物方面的研究。

E-mail：yaoshun@bjut.edu.cn

GaInAs/GaAsP Multiple Quantum Well Solar Cells with Different Periods

ZHANG Qi-ling1，YAO Shun1*，YANG Cui-bai2，ZHANG Yang2，CHEN Bing-zhen1，CHANG Xiao-yang1，WANG Zhi-yong1
（1.Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Redsolar New Energy Technology Co.Ltd.，Zhongshan 528437，China）
*Corresponding Author，E-mail：yaoshun@bjut.edu.cn

In order to study the GaInAs/GaAsP multiple quantum well solar cells（MQW-SC）with different periods，double-junction solar cell samples with different periods quantum well（QW）and reference sample without QW were grown by metalorganic chemical vapor deposition（MOCVD）.The crystal quality of the samples was judged by high resolution X-ray diffraction（HXRD）and high resolution transmission electron microscopy（TEM）.I-V curves and external quantum efficiency（EQE）of samples were measured under AM0（1×）spectra.Relative to the non-QW sample，the absorption spectra of QW samples extend from 890 nm to 954 nm，the highest external quantum efficiency of the extending spectra achieves 75.18%，the conversion efficiency increases by 2.77%.With the increased periods of quantum wells structure，the response of the extending spectra and the longer wavelengths（700-890 nm）in the conventional spectra increase，while in the shorter wavelengths（300-700 nm）the response has a fall.Eventually，the short circuit current and the efficiency of the cells are improved and finally tend to be steady.

GaInAs/GaAsP；quantum well；EQE；solar cell

O472+.8

A

10.3788/fgxb20163706.0701

1000-7032（2016）06-0701-05

2016-02-03；

2016-03-10

北京市委組織部優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃（2012D005015000005）；北京市教委項目（KM201110005017）資助