InGaN太陽電池光電轉換特性的理論計算

張玉寧，剡文杰

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川750021)

InGaN太陽電池光電轉換特性的理論計算

張玉寧，剡文杰

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川750021)

從p-n結太陽電池的理論模型和帶隙的經驗公式出發(fā)，結合實際材料參數，通過改變In組分來調節(jié)帶隙。計算了標準太陽光譜AM1.5光子通量及該光譜下單結和異質雙結太陽電池的光電轉換效率。結果顯示，單結太陽電池的最大轉換效率是27.28%，與之對應的In組分為0.82。異質雙結太陽電池的最高轉換效率為30.75%，對應的In組分是0.74。這些結果可作為設計制備InGaN太陽電池的理論依據。

光電子材料；InGaN太陽電池；光電特性；轉換效率；理論計算

作為永久可依賴的綠色能源，太陽能的有效利用，特別是髙效光電轉換，是目前非常活躍的研究領域。太陽電池是太陽能光電轉換的核心器件，提高太陽電池光電轉換效率和降低生產成本是最終目標[1]。經過幾十年的研究，已發(fā)展出很多種基于不同材料、結構和原理的太陽電池，有些已經商業(yè)化生產并用于發(fā)電，光伏業(yè)已成為新興產業(yè)。其中最成熟、最具代表性的是晶體硅太陽電池。由于晶體硅是間接帶隙半導體且禁帶寬度不是理想值，光吸收系數低且晶體硅太陽電池的最大理論轉換效率也較低。探索髙效太陽能光電轉換的新材料、新結構、新機理成為目前太陽能光電轉換領域的前沿熱點。帶隙可調的材料具有制成高效低成本太陽電池的諸多潛力。首先，是直接帶隙材料，吸收系數高。1997年 Muth等人[2]報道了的帶隙邊緣吸收系數高達105cm－1[3](晶體硅的吸收系數為103cm－1)，這意味著400 nm左右的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光[4]，有利于節(jié)省材料成本并減輕電池質量。其次電子遷移率高[5]。高電子遷移率可降低光生載流子在材料內部的復合幾率[6]，使其能快速到達電極，有利于提高電池的短路電流。第三，禁帶寬度連續(xù)可調。2002年，美國伯克利勞倫斯國家實驗室的W.Walukiewicz和J.Wu等發(fā)現InN的禁帶寬度為0.7 eV[7]。因此，III族氮化物三元合金InGaN的禁帶寬度從GaN的3.4 eV到InN的0.7 eV連續(xù)可調。對應的吸收光譜的波長從365 nm到1 700 nm[8]，與太陽光譜幾乎完美匹配，具備了高效光電轉換的基礎。此外，還具有電子和空穴的有效質量低、飽和速度高、耐輻射[9]、對溫度變化不敏感[10]等一系列優(yōu)點[11]。利用上述優(yōu)點，不僅可構成多結太陽電池，還可開發(fā)量子阱等“第三代”太陽電池。另外，器件可在高溫和惡劣的環(huán)境下工作。有研究表明，在高能粒子轟擊后，的光電特性并沒有明顯變化，這使得成為制作空間太陽電池的理想材料。

本文從p-n結太陽電池的電壓-電流方程出發(fā)，分析了AM1.5光譜下p-n結太陽電池的光電流、最大功率點。在此基礎上，計算了單結及異質雙結太陽電池的最大轉換效率及相應的最優(yōu)In組分，并對結果進行了討論分析。

1 理論計算模型

p-n結太陽電池的電流-電壓方程：

太陽電池轉換效率定義為：

由此，為了計算太陽電池的轉換效率，就要算出最大輸出電流和電壓，要算出和，就要算出短路電流。

若太陽電池能產生電子-空穴對的厚度為d，則產生的電子-空穴對總數為：

則電池的短路電流為：

又對公式(3)變形得：

將上式代入式(1)：

則功率可表達為：

為了求解最大功率下對應的最大電壓，對功率求極值，代入所有參量最終可得：

這是一個關于V的超越方程，通過對其數值求解，可得最大電壓，其中求解所需GaN和InN的光學參數查文獻[12]得到，而的參數由GaN和InN各項參數線性數據擬合得到，見表1。

表1 InGaN、InN、GaN光電參數

對于計算光子數，所用到的太陽光譜是采用標準的AM 1.5譜，是由美國國家可再生能源實驗室的官方網站頒布的，American Society for Testing and Materials(ASTM)于2004年最新測量得到的ASTM G173-03。實際上入射到太陽電池的光子數應當是太陽光所包含的各種波長的光子之和，即：

2 計算結果及討論

圖1 InxGa1－xN單結太陽電池轉換效率和禁帶寬度的關系曲線

圖2 禁帶寬度和電流密度關系曲線

圖3 禁帶寬度和電壓關系曲線

基于上述計算結果，為了進一步提高太陽電池的轉換效率，本文接著計算了異質雙結太陽電池的轉換效率。

圖4給出了同質單結太陽電池和異質雙結太陽電池的結構示意圖。在對兩結以上串聯太陽電池仿真計算時，太陽電池的短路電流密度應取各結電池短路電流密度之最小值；太陽電池的開路電壓是各結電池開路電壓之和。表2給出了計算得到太陽電池的最大轉換效率和性能參數，從表中可以看出，相比單結太陽電池，雙結太陽電池將轉換效率提高了約3%，轉換效率為30.75%，此時對應的In組分是0.74。由于合金的禁帶寬度在太陽光譜的最主要范圍內是連續(xù)可調的[14]，很容易得到與最大轉換效率相對應的禁帶寬度材料，而目前所用的太陽電池材料，禁帶寬度是固定的，或者是可調的，但是可調范圍不大，不容易與最大轉換效率相對應，而的禁帶寬度是連續(xù)可調的，它容易達到最佳的禁帶寬度組合。

圖4 InxGa1－xN 同質單結/異質雙結太陽電池結構示意圖

表2 計算的InxGa1－xN和InxGa1－xN/GaP太陽電池的光電學參數

3 結論

根據p-n結型太陽電池的理論模型，以AM1.5標準太陽光譜為入射光，利用材料帶隙與In組分間關系的經驗公式，計算得出單結和異質雙結太陽電池的轉換效率。當In的組分為0.82時，禁帶寬度為1.389 3 eV，單結太陽電池的最高轉換效率是27.28%；當In組分為0.74時異質雙結太陽電池的最高轉換效率是30.75%。本文只是在理想情況下計算禁帶寬度對轉換效率的影響，忽略了實際中很多情況，比如能量損耗、結層厚度、摻雜濃度等，也沒有考慮制備中的實際問題，并且還有很多導致光電轉換能量損失的因素，實際工藝中遇到的問題，這些都需要作進一步的研究，才能更準確地了解InGaN太陽電池其他參數與電池性能的關系，進一步提高電池的轉換效率。

[1]王雪，豆維江，秦應雄，等.多晶硅太陽電池激光摻雜選擇性發(fā)射極[J].光子學報，2014，40(2)：190-191.

[2]PIPREK J.Nitride Semieonductor Devices：Principles and Simulation[M].Weinheim:Wiley-VCH Veriag GmbH&Co.KGaA,2007.

[3]MUTH J F,LEE J H,SHMAGIN I K,et al.Absorption coefficient, energy gap,exciton binding energy,and recombination lifetime of GaN obtained from transmission tramsmission measurements[J]. Appl Phys Lett,1997,71(18):2572-2574.

[4] 王宇.InGaN/GaN多量子肼太陽電池的制備及其特性研究[D].廈門：廈門大學，2014：4-5.

[5]WALUKIEWICZ W,AGER J W,YU K M,et al.Structure and electronic properties of InN and In-rich groupⅢ-nitride alloys[J].J Phys D:Appl Phys,2006,39(5):R83-R99.

[6]WANG X,YOSHIKAWA A.Molecular beam epitaxy growth of GaN,AIN and InN[J].Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials,2004,48/49:42-103.

[7]WU J，WALUKIEWICZ W,YU K M，et al.Unusual properties of the fundamental band gap of InN[J].Appl Phys Lett,2002,80(21): 3967-3969.

[8]ELISON M,CARL N,MICHAEL I,et al.High internal and external quantum efficiency InGaN/GaN solar cells[J].Appl Phys Lett,2011, 98:021102.

[9]WU J,WALUKIEWICZ W,YU K M,et al.Superior radiation resistance ofalloys;Full-solar-spectrum photovoltaic material system[J].J Phys,2003,94(10):6477-6482.

[10]BERNARDINI F,FIORENTINI V.Polarization fields in nitride nanostructures:10 points to think about[J].Appl Surf S,2000, 166:23-29.

[11]NANISHI Y,SAITO Y,YAMATUCHI T.R-F molecular beam epitaxy growth and properties of InN and related alloys[J].Japanese Journal of Applied Physics,2003,42(5A):2549-2559.

[12]SCHUBERT E F.Room temperature properties of semiconductors:Ⅲ-Ⅴ nitrides[EB/OL].[2015-01-23].http://www.rpi.edu/~schubert/Educationalresources/Materials-Semiconductors.

[13]HAMZAOUI H,BOUAZZE A S,REZIG B.Theoretical possibilities 210 oftandem PV structures[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2005,87:595.

[14] 文博，周建軍，江若璉，等.InGaN太陽電池轉換效率的理論計算[J].半導體學報，2007，28(9)：1392-1395.

Theoretical calculation of photoelectric conversion efficiency of InGaN solar cell

Based on the theoretical model of p-n junction solar cells and empirical energy gap formula ofcombining with the actual material parameters, the energy gap ofwas changed by adjusting the In contents.The photon flux density of AM1.5 solar spectrum and photoelectric conversion efficiency of single-junctionand double-heterojunctionsolar cells were calculated.The results show that the maximum solar energy conversion efficiency ofsingle-junction solar cells is 27.28%,the In contents is 0.82,and that of double heterojuctionsolar cells with In contents of 0.74 achieves up to 30.75%.These results may provide a theoretical basis for the preparation of InGaN solar cells.

optoelectronic materials;InGaN solar cells;photoelectric properties;conversion efficiency;theoretical calculation

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)03-0604-03

2015-08-22

國家自然科學基金(61066002)

張玉寧(1990—)，女，寧夏回族自治區(qū)人，碩士生，主要研究方向為光伏材料與器件。

剡文杰，Email：yanwj@nxu.edu.cn