晶格失配對(duì)GaInP/InxGa1-xAs/InyGa?1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池性能影響的分析

馬大燕 陳諾夫付蕊 劉虎2) 白一鳴 弭轍 陳吉堃

1)(華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院,北京 102206)

2)(石家莊鐵道大學(xué)數(shù)理系,石家莊 050041)

3)(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

晶格失配對(duì)GaInP/InxGa1-xAs/InyGa?1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池性能影響的分析

馬大燕1)陳諾夫1)?付蕊1)劉虎1)2)白一鳴1)弭轍1)陳吉堃3)?

1)(華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院,北京 102206)

2)(石家莊鐵道大學(xué)數(shù)理系,石家莊 050041)

3)(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

(2016年8月30日收到;2016年10月25日收到修改稿)

傳統(tǒng)GaInP/(In)GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池因受其帶隙組合的限制,轉(zhuǎn)換效率再提升空間不大.倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池因其更優(yōu)的帶隙組合期望可以得到更高的效率.基于細(xì)致平衡原理,結(jié)合P-N結(jié)形成機(jī)理,應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言對(duì)雙晶格失配GaInP(1.90 eV)/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池底、中電池的不同帶隙組合進(jìn)行模擬優(yōu)化.模擬結(jié)果表明在AM1.5D,500倍聚光(500 suns)下,禁帶寬度組合為1.90/1.38/0.94 eV的帶隙最優(yōu),綜合材料成本與試驗(yàn)條件,當(dāng)頂、中電池最優(yōu)厚度組合為4μm和3.2μm時(shí)理論轉(zhuǎn)化效率高達(dá)51.22%,此時(shí)兩個(gè)異質(zhì)結(jié)的晶格失配度分別為0.17%和2.36%.忽略漸變緩沖層生長(zhǎng)后底電池位錯(cuò)的影響,通過(guò)計(jì)算0.17%的晶格失配引入1.70×105cm-2的插入位錯(cuò)密度,對(duì)比單晶格失配GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As(0.99 eV)倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率仍提高了0.3%.

雙晶格失配,倒裝結(jié)構(gòu),三結(jié)太陽(yáng)電池,位錯(cuò)

1 引 言

III-V太陽(yáng)電池因其較高的轉(zhuǎn)化效率,良好的耐輻射性能及溫度特性等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為近幾年光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,GaInP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池的量產(chǎn)化最高轉(zhuǎn)化效率為41.6%(AM1.5D,364 suns)[1],由于帶隙的限制,轉(zhuǎn)化效率再上升的空間不大.而倒裝多結(jié)太陽(yáng)電池因?yàn)槠淇梢愿侠淼胤峙涮?yáng)光譜,減少熱能損失,提高開路電壓,期望可以得到更高的轉(zhuǎn)化效率.目前,倒裝結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池最高轉(zhuǎn)化效率由NREL(National Renewable Energy Laboratory)生產(chǎn)的GaInP/GaAs/InGaAs/InGaAs四結(jié)電池提供,轉(zhuǎn)化效率高達(dá)45.7%(AM1.5D,234 suns)[2,3],只比Fraunhofer ISE(Institute for Solar Energy Systerm)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)鍵合太陽(yáng)電池46.0%(AM1.5D,508 suns)[4,5]的多結(jié)太陽(yáng)電池的最高效率低0.3%.2013年,日本Sharp公司通過(guò)優(yōu)化InGaAs的化合物組分,生產(chǎn)的電池芯片面積僅為0.165 cm2的小面積GaInP/GaAs/InGaAs(1.0 eV)倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池,光電轉(zhuǎn)化效率為44.4%(AM1.5D,302 suns)[6],這也是迄今為止三結(jié)太陽(yáng)電池聚光條件下的最高效率.

實(shí)踐證明,GaInP/GaAs/InGaAs(1.0 eV)倒裝結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池由于能實(shí)現(xiàn)更好的電流匹配,已成為國(guó)內(nèi)外近幾年三結(jié)太陽(yáng)電池研究的熱點(diǎn).而對(duì)于雙晶格失配GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道較少.僅Geisz等[7,8]在2008年對(duì)底、中電池禁帶寬度組合為0.89 eV和1.34 eV均與GaAs襯底失配的雙失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池的報(bào)道,且進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)假設(shè)光子能量100%被吸收,這與實(shí)際情況也存在很大誤差.對(duì)于雙失配GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池除因其次生長(zhǎng)的中電池與首先生長(zhǎng)的GaInP頂電池存在晶格失配外,與最后生長(zhǎng)的底電池也存在晶格失配,故此時(shí)評(píng)價(jià)失配位錯(cuò)對(duì)電池光電性能的影響尤為重要.本文基于細(xì)致平衡原理的基本方程式出發(fā),應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言對(duì)GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池底、中電池的禁帶寬度以及各子電池的厚度進(jìn)行模擬優(yōu)化,使各子電池的電流密度更加匹配,同時(shí)分析位錯(cuò)密度的影響.位錯(cuò)作為少子的復(fù)合中心,會(huì)降低少子的壽命進(jìn)而影響其擴(kuò)散長(zhǎng)度,這樣我們就建立起位錯(cuò)密度和電池的光電轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系,來(lái)指導(dǎo)倒裝結(jié)構(gòu)電池體系的生產(chǎn).

2 方 法

為了盡量避免大失配InxGa1-xAs底電池的缺陷延伸至中、頂電池,電池在外延過(guò)程中進(jìn)行倒裝生長(zhǎng),即優(yōu)先生長(zhǎng)晶格匹配度較高的頂電池和中電池,最后生長(zhǎng)InxGa1-xAs底電池,實(shí)現(xiàn)倒裝結(jié)構(gòu)電池的制備,具體器件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)采用AM1.5D光譜,500倍聚光(500 suns),溫度設(shè)為300 K.參照文獻(xiàn)[9]建立的計(jì)算模型,假設(shè)各子電池N型區(qū)厚度為0.1μm,均勻摻雜,發(fā)射極施主摻雜濃度Nd=2×1018cm-3,基區(qū)受主摻雜濃度Na=1×1017cm-3.各子電池P型區(qū)厚度設(shè)為可調(diào)節(jié),以便我們更好地進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化.計(jì)算中我們還要做如下假設(shè)：1)沒(méi)有串聯(lián)電阻損失和理想的隧穿結(jié);2)材料表面沒(méi)有反射損失;3)光子吸收從300 nm處開始計(jì)算.

在不考慮二極管影響因子和串聯(lián)電阻的影響,作為理想的太陽(yáng)電池,其伏安特性方程可表示為

其中,q為電子電量;kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;Jsc,i,Jo,i(i=1,2,3)分別表示電池正裝后第i結(jié)電池的短路電流密度和暗電流密度.

圖1 GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池器件參數(shù)模型Fig.1.Device parameters for model of the GaInP/GaInAs/Ge triple junction(3J)solar cell in an inverted structure.

各子電池的短路電流密度Jsc可通過(guò)下式求得

其中,QE為電池的外量子效率,本文所建立的計(jì)算模型考慮的是實(shí)際情況下的量子效率,考慮材料吸收系數(shù)、少子擴(kuò)散長(zhǎng)度、壽命,表面復(fù)合速度等因素的影響,具體計(jì)算方程參照文獻(xiàn)[10].Φinc(λ)為電池入射光譜某一特定波長(zhǎng)處的光子通量密度,對(duì)于頂電池的入射光Φinc(λ)就是太陽(yáng)光Φs,下面各子電池的入射光應(yīng)是經(jīng)過(guò)上面電池濾光后的部分,則第m結(jié)子電池的入射光為

其中,αi(i=1,2,3)為第i結(jié)子電池的吸收系數(shù),為揭示各子電池對(duì)光的吸收限隨帶隙的變化情況,模型中各子電池吸收系數(shù)參照Kurtz等[11]在靠近吸收限附近擬合較好的以帶隙Eg為變量的表達(dá)式;ti(i=1,2,3)為第i結(jié)子電池的厚度,ti設(shè)計(jì)為可調(diào)整,通過(guò)調(diào)節(jié)各子電池的厚度來(lái)匹配各子電池的短路電流密度,節(jié)約成本,提高電池光電轉(zhuǎn)化效率.

QE(λ)描述的是太陽(yáng)電池在某特定波長(zhǎng)上每秒鐘產(chǎn)生載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比,為太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的表征,其可以很好地反映出電池對(duì)于太陽(yáng)光譜的利用程度.本文主要參考Shockley關(guān)于P-N結(jié)的理論模型來(lái)解決光生載流子的復(fù)合、吸收與擴(kuò)散.這樣模型建立中要知道的參數(shù)包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)的少子壽命τn,p,空穴、電子在發(fā)射區(qū)、基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln,p、擴(kuò)散系數(shù)Dn,p,表面復(fù)合速度Sn,p,它們彼此之間的關(guān)系如下：

其中,kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;μn,p為空穴(電子)在發(fā)射區(qū)(基區(qū))的遷移率,各子電池的經(jīng)驗(yàn)值參照文獻(xiàn)[12,13].

本文主要目的是討論失配位錯(cuò)對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池性能的影響.一般來(lái)講,生長(zhǎng)合適的緩沖層是一種降低缺陷的手段.雖然其次生長(zhǎng)的InxGa1-xAs中、底電池與襯底GaAs的失配應(yīng)力可以通過(guò)在緩沖層形成一定的失配位錯(cuò)來(lái)緩解,然而穿透位錯(cuò)仍存在于電池的核心區(qū)域里,扮演著少數(shù)載流子復(fù)合中心的角色,主要表現(xiàn)為電池位錯(cuò)密度越大,缺陷越多.位錯(cuò)密度的存在主要影響少數(shù)載流子壽命τ,它主要受三部分影響,輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合和位錯(cuò)引起的復(fù)合,即

其中,τrad,τAug,τSRH分別是輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合和位錯(cuò)引起的復(fù)合對(duì)少子壽命的影響.τrad,τAug分別只受輻射復(fù)合系數(shù)Brad、俄歇復(fù)合系數(shù)BAug和發(fā)射區(qū)或基區(qū)的摻雜濃度N的影響,對(duì)于τSRH,Yamaguchi等[14]通過(guò)假設(shè)穿透位錯(cuò)均勻分布在電池體系中,通過(guò)求解少數(shù)載流子的位錯(cuò)傳輸?shù)囊痪S連續(xù)性方程得到.Td是位錯(cuò)密度,這也是本文重點(diǎn)考慮的因子,參照文獻(xiàn)建立的方程式,就得到了位錯(cuò)密度Td和理論光電轉(zhuǎn)化效率η之間的關(guān)系式.模型中各參數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1.

表1 模型中分別用到的GaInP,InxGa1-xAs和InyGa1-yAs各子電池材料的相關(guān)參數(shù)Tabel 1.Material parameters used for simulating GaInP,InxGa1-xAs and InyGa1-yAs subcells,respectively.

3 結(jié)果與討論

3.1 電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖2所示,在AM1.5D,500倍聚光(500 suns)下,假設(shè)頂、中、底電池為無(wú)窮厚時(shí),電池理論轉(zhuǎn)化效率和底、中電池禁帶寬度之間的關(guān)系.帶隙組合為1.90/1.42/0.99 eV(圖中B點(diǎn))理論轉(zhuǎn)化效率為48.38%,此時(shí)電池結(jié)構(gòu)為GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As.此時(shí)頂電池GaInP(1.90 eV)和中電池GaAs(1.42 eV)與襯底保持完全晶格匹配,底電池In0.32Ga0.68As與襯底存在2.24%的晶格失配.若要提高電池的效率,又同時(shí)保證電池的生長(zhǎng)質(zhì)量,需在首先生長(zhǎng)的GaInP頂電池與襯底晶格匹配的前提下,適當(dāng)降低中電池和底電池的禁帶寬度,即提高In在中電池和底電池InxGa1-xAs中的組分.A點(diǎn)帶隙組合為1.90/1.38/0.94 eV,對(duì)應(yīng)的電池結(jié)構(gòu)為 GaInP/In0.02Ga0.98As/In0.36Ga0.64As,是失配體系組合GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池的最優(yōu)帶隙,光電轉(zhuǎn)化效率最高,可以達(dá)到50.34%,較單失配GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As(0.99 eV)倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池效率提高了近2個(gè)百分點(diǎn),但在頂電池和中電池間又引入了0.17%的晶格失配.這必然導(dǎo)致位錯(cuò)密度的增加,缺陷增多,直接影響少子壽命.具體影響將在下文做詳細(xì)討論.對(duì)于失配體系組合A,B中底電池和中電池分別引入的2.36%和2.24%的大失配通過(guò)階變緩沖層技術(shù)來(lái)釋放,考慮到InxAl1-xAs材料禁帶寬度比InxGa1-xAs大,對(duì)底電池材料有良好的透光性,采用梯度組分漸變的InxAl1-xAs作為中電池和底電池之間的晶格失配緩沖層進(jìn)行過(guò)渡[15],以保證由此產(chǎn)生的位錯(cuò)密度在我們可接受范圍內(nèi).

圖2 以底、中電池帶隙為變量的電池理論轉(zhuǎn)化效率等高圖Fig.2.Contour plot of theoreticalηas a function of the lower two subcells ofEg.

對(duì)于雙失配體系組合A,在GaInP(1.90 eV)頂電池上生長(zhǎng)In0.02Ga0.98As(1.38 eV)中電池時(shí),中電池受到失配應(yīng)力的影響,剛開始與底電池是完全共格的,即完全應(yīng)變;隨著應(yīng)變層厚度的增加,彈性應(yīng)變能也逐漸積累,隨著外延膜增加到某一厚度時(shí)彈性應(yīng)變能以失配位錯(cuò)的形式開始釋放,出現(xiàn)弛豫,相應(yīng)的薄膜厚度即為中電池In0.02Ga0.98As的臨界厚度.本文采用PB模型計(jì)算外延層厚度hc[16,17]的表達(dá)式為：

其中,f為GaInP(1.90 eV)頂電池和In0.02Ga0.98As(1.38 eV)中電池的晶格失配度;ν為泊松比,這里取0.31;b為中電池對(duì)頂電池界面的滑移距離,它具有伯格斯矢量的數(shù)量級(jí);a(x)為In0.02Ga0.98As(1.38 eV)中電池弛豫后體材料的晶格常數(shù).

通過(guò)(6)式計(jì)算得到In0.02Ga0.98As(1.38 eV)中電池的臨界厚度hc=7086.3 nm,此厚度可以作為接下來(lái)雙失配體系組合A中電池In0.02Ga0.98As(1.38 eV)厚度優(yōu)化的最大臨界厚度.

圖3 以頂、中電池厚度為變量的電池理論轉(zhuǎn)化效率等高圖 (a)組合A;(b)組合BFig.3.Contour plot of theoreticalηas a function of the upper two subcells oft：(a)Combination A;(b)combination B.

下面我們需要確定失配體系組合A,B各子電池的厚度.由于底電池厚度對(duì)頂電池、中電池的光譜吸收沒(méi)有直接影響,首先假設(shè)組合A,B底電池厚度均為2μm.圖3是在AM1.5D,500倍聚光(500 suns)下,組合A,B的理論轉(zhuǎn)化效率隨頂、中電池厚度的變化關(guān)系.對(duì)于串聯(lián)多結(jié)電池,整個(gè)器件的輸出電流受最小的子電池電流限流.通過(guò)分析失配體系A(chǔ),B各子電池的短路電流密度,由于底電池電流足夠大,器件的輸出電流只與Jsc,1,Jsc,2有關(guān),從而也驗(yàn)證了選取2μm底電池厚度進(jìn)行頂、中電池厚度優(yōu)化的正確性.隨頂電池厚度的增加,頂電池吸收的光強(qiáng)增加,則到達(dá)下一結(jié)電池的光強(qiáng)度隨之減弱,而底電池短路電流密度同時(shí)受頂、中電池厚度的影響,這樣就得到一個(gè)某頂、中電池厚度下,頂、中、底電池電流相等的點(diǎn),即電流匹配點(diǎn).對(duì)于雙失配體系組合A,如圖3(a),當(dāng)頂、中電池厚度分別增加到6.4,3.4μm,各子電池的吸收的光強(qiáng)趨于相等,此時(shí)理論轉(zhuǎn)化效率最高.綜合材料成本及實(shí)際生產(chǎn)條件,取頂、中電池厚度分別為t1=4μm,t2=3.2μm,此厚度組合也是接下來(lái)分析失配體系組合A選取的各子電池的最佳厚度.如表2所列,此時(shí)各子電池短路電流密度分別為7012.30,7311.60,7624.80 mA/cm2,電流匹配度較高,理論轉(zhuǎn)化效率為51.22%,較各子電池厚度為無(wú)窮厚時(shí)提高了近1%.這種現(xiàn)象我們歸因于P-N結(jié)內(nèi)部少子的復(fù)合,當(dāng)電池厚度一再增加時(shí),光子雖然可以更充分地被吸收形成電子空穴對(duì),但由于它距空間電荷區(qū)更遠(yuǎn),使得更多的電子空穴對(duì)在未擴(kuò)散到電荷耗盡區(qū)以前就復(fù)合掉了,不僅未形成有效的光生電流,反而使得此時(shí)的量子效率出現(xiàn)下降.對(duì)于單失配體系組合B,見圖3(b),當(dāng)頂、中電池厚度分別增加到1.9和4.5μm時(shí),此時(shí)光電轉(zhuǎn)化效率最高,此厚度也作為失配體系組合B位錯(cuò)分析的最優(yōu)厚度.此時(shí)各子電池的短路電流密度分別為6853.00,6874.60,7014.60 mA/cm2,得益于各子電池的最優(yōu)厚度,失配體系組合B電流匹配度明顯高于A,同時(shí)開路電壓較失配體系組合A提高了2.02%,但由于雙失配體系組合A更優(yōu)的帶隙組合,其短路電流密度較單失配體系組合B提高了2.32%,故理論轉(zhuǎn)化效率較組合B上升了0.8%.而對(duì)于失配體系組合A,B底電池厚度的選取,結(jié)合表2,由于組合A,B在各自最佳厚度時(shí)得到的底電池的短路電流密度較頂、中電池差別不大,且稍高于另外兩結(jié)子電池,因此繼續(xù)優(yōu)化底電池厚度意義不大.

表2 失配體系組合A,B倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽(yáng)電池的電學(xué)性能參數(shù)Table 2.Electrical performance parameters of 3J solar cell in an inverted structure for the metamorphic(MM)combination A and B.

3.2 失配體系位錯(cuò)分析

在明確了失配電池體系最優(yōu)結(jié)構(gòu)后,我們現(xiàn)在開始考量失配體系內(nèi)的位錯(cuò)密度對(duì)最終電池性能的影響.對(duì)于雙失配體系組合A,晶格失配度為0.17%In0.02Ga0.98As(1.38 eV)中電池的位錯(cuò)分析,我們參考Matthews等[18,19]針對(duì)失配位錯(cuò)和插入位錯(cuò)關(guān)系所提出的理論：插入位錯(cuò)橫向滑移后會(huì)在平行于界面處留下一根長(zhǎng)度為l的60?失配位錯(cuò),通過(guò)此來(lái)釋放掉體系內(nèi)所存在的彈性應(yīng)變.當(dāng)然這種假設(shè)是建立在穿透位錯(cuò)在基底已經(jīng)存在的前提下,當(dāng)外延膜厚度超過(guò)臨界厚度,將形成位錯(cuò)的成核,與臨界厚度理論并不矛盾.這種解釋已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了充分的驗(yàn)證.即60?的失配位錯(cuò)正交排列,朝著〈110〉與〈-110〉晶向,向{111} 平面滑移.由文獻(xiàn)[20,21]可以構(gòu)建插入位錯(cuò)密度ρ同失配位錯(cuò)長(zhǎng)度l,InGaAs(1.38 eV)中電池失配度f(wàn)和GaInP頂電池尺寸L之間的定量關(guān)系,如下式：若不考慮底電池位錯(cuò)密度的影響,假設(shè)GaInP頂電池晶片尺寸L為1 cm,失配位錯(cuò)長(zhǎng)度l為L(zhǎng)的一半,代入(7)式計(jì)算得到InGaAs(1.38 eV)中電池中的插入位錯(cuò)密度為1.70×105cm-2,接下來(lái)我們只需把原計(jì)算模型中的少子壽命τ代入包含位錯(cuò)引起的復(fù)合的新變量,就得到位錯(cuò)密度與電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系.圖4和圖5是AM1.5D,500倍聚光(500 suns)下,計(jì)算的底電池的位錯(cuò)密度與失配電池體系組合A,B的電學(xué)性能參數(shù)的關(guān)系.參照?qǐng)D4,隨底電池位錯(cuò)密度的增加,失配電池體系組合A,B的短路電流密度的變化趨勢(shì)由水平趨于直線下降,呈分段函數(shù)分布.對(duì)于電池體系組合A,B,當(dāng)?shù)纂姵氐奈诲e(cuò)密度分別大于2.56×106,6.4×105cm-2時(shí),短路電流密度下降趨勢(shì)明顯.這主要是由于低的位錯(cuò)密度下,失配電池體系組合A,B的短路電流密度主要取決于頂電池,這也與表2得到的結(jié)果相符合.同理失配電池體系組合A,B的開路電壓較短路電流密度隨底電池的位錯(cuò)密度的變化趨勢(shì)大致相同.結(jié)合圖5所示,雙失配電池體系組合A理論轉(zhuǎn)化效率明顯高于單失配體系組合B,若不考慮底電池位錯(cuò)密度的影響,失配電池體系組合A較B光電轉(zhuǎn)化效率提高了0.3%,從而證明了具有更優(yōu)帶隙組合的雙異質(zhì)結(jié)失配體系組合A對(duì)于高效太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì).

圖4 底電池位錯(cuò)密度對(duì)失配體系組合A,B短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的影響Fig.4.TheJscandVocversus dislocation density(DD)in the bottom junction for the MM combination A and B.

圖5 底電池位錯(cuò)密度對(duì)失配體系組合A,B的理論轉(zhuǎn)化效率的影響Fig.5.The theoreticalηversus DD in the bottom junction for the MM combination A and B.

考慮到實(shí)際存在的位錯(cuò)密度,如果失配位錯(cuò)長(zhǎng)度l小于或者大于2/L會(huì)怎樣呢?失配位錯(cuò)長(zhǎng)度的變化主要是由插入位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)引起的,考慮到緩沖層的結(jié)構(gòu)和材料生長(zhǎng)條件發(fā)生變化,必然導(dǎo)致不同的l,當(dāng)l大于2/L時(shí),失配體系組合A頂、中電池間的位錯(cuò)密度當(dāng)然實(shí)際存在的位錯(cuò)密度還受材料的生長(zhǎng)條件和結(jié)構(gòu)的影響,如若我們?cè)陧旊姵睾椭须姵刂g生長(zhǎng)1—2層GaInP作緩沖層,雙失配體系組合A的優(yōu)勢(shì)更明顯.顯然,當(dāng)?shù)纂姵氐奈诲e(cuò)密度小于106cm-2時(shí),電池轉(zhuǎn)換效率的下降趨勢(shì)并不明顯.然而,大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明失配電池體系中位錯(cuò)密度大多約在105—107cm-2,這樣看來(lái)這個(gè)量級(jí)的位錯(cuò)密度對(duì)電池性能的影響還是很大的,因此生長(zhǎng)合適的漸變緩沖層對(duì)于降低失配電池體系的位錯(cuò)是必須的,這就要求在漸變緩沖層生長(zhǎng)過(guò)程中嚴(yán)格控制好它的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和條件,以期獲得電學(xué)性能理想的電池.

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6給出了失配體系組合A,B的外量子曲線(EQE).圖中雙失配體系組合A中電池In0.02Ga0.98As和底電池In0.36Ga0.64As的吸收限分別較單失配體系組合B GaAs中電池和In0.32Ga0.68As底電池長(zhǎng)30—50 nm,同時(shí)失配體系組合A的中、底電池分別在組合B中、底電池的吸收限附近也體現(xiàn)了比較高的EQE.這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)帶隙優(yōu)化后,雙失配體系組合A具有更低禁帶寬度的中電池和底電池來(lái)保證對(duì)更寬太陽(yáng)光譜能量范圍的吸收.在AM1.5D光譜下,通過(guò)計(jì)算得到失配體系組合A,B中、底電池電流基本匹配,分別為11.7和10.4 mA/cm2,差異最大之處主要體現(xiàn)在頂電池,雙失配組合體系A(chǔ) GaInP頂電池電流密度為11.3 mA/cm2,較中、底電池電流密度降低了3.4%,在整個(gè)三結(jié)電池串接方式中起到了限流作用.而單失配體系組合B GaInP頂電池短路電流密度為10.3 mA/cm2,和GaAs中電池、In0.32Ga0.68As底電池電流密度基本接近,這也是為避免電流損失,將組合B GaInP吸收層變薄的原因所在.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)失配體系組合A,B的EQE曲線Fig.6.(color online)EQE curve of the MM combination A and B.

圖7為所測(cè)試的失配體系組合A,B兩類倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池的J-V曲線.測(cè)試前采用獨(dú)立的子電池對(duì)光譜進(jìn)行分段校準(zhǔn),測(cè)試光譜功率為38.4 W/cm2(AM1.5D,500 suns),環(huán)境溫度為25?C,用于測(cè)試的電池芯片面積為30.25 mm2.由圖可知,雙失配體系組合A的開路電壓為3.23 V,短路電流密度為5598.46 mA/cm2,而單失配體系組合B的開路電壓和短路電流分別為3.43 V和5090.46 mA/cm2,光電轉(zhuǎn)化效率為39.50%.可見,雙失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池開路電壓較單失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池降低了近0.2 V,但短路電流密度提高了508 mA/cm2,轉(zhuǎn)化效率達(dá)到40.01%,比單失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池的效率提高了0.4個(gè)百分點(diǎn),雙失配體系組合A的效率優(yōu)勢(shì)與圖5基本符合,從而也證明了引入的0.17%的失配帶來(lái)的更優(yōu)的帶隙組合是可取的.兩種失配體系組合對(duì)應(yīng)的開路電壓、短路電流以及光電轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢(shì)也與圖4和圖5的結(jié)果完全符合,從而也驗(yàn)證了本文所建立模型的正確性.

圖7 失配體系組合A,B的電流密度電壓(J-V)曲線Fig.7.J-Vcurve of the MM combination A and B.

4 結(jié) 論

本文在進(jìn)行電池模擬計(jì)算時(shí),盡可能結(jié)合實(shí)際量子效率與電池內(nèi)部參數(shù)的關(guān)系,以求獲得最精確的電池最優(yōu)參數(shù)組合.最優(yōu)帶隙組合(1.90,1.38,0.94 eV)的GaInP/In0.02Ga0.98As/In0.36Ga0.64As雙失配電池體系在最優(yōu)厚度組合(4.0,3.2,2μm)得到理論光電效率為51.22%,較GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As單失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池在最佳厚度組合(1.9,4.5和2μm)時(shí),效率提高了0.8%.忽略底電池位錯(cuò)的影響,計(jì)入雙失配電池體系內(nèi)晶格失配度為0.17%In0.02Ga0.98As中電池引入的1.70×105cm-2的位錯(cuò)密度,較GaInP/GaAs/In0.32Ga0.68As單失配電池體系效率仍提高了0.3個(gè)百分點(diǎn).最后基于兩種失配電池體系,制備了面積為30.25 mm2太陽(yáng)電池芯片.通過(guò)測(cè)得的J-V曲線可知,雙失配體系組合的開路電壓和短路電流密度分別為3.23 V和5598.46 mA/cm2,較單失配體系組合開路電壓降低了近0.2 V,但短路電流密度提高了508 mA/cm2,轉(zhuǎn)化效率達(dá)到40.01%,比單失配倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池效率提高了0.4個(gè)百分點(diǎn).

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(5)當(dāng)發(fā)生了緊急事件時(shí)動(dòng)物園的事后補(bǔ)救措施是否完善。動(dòng)物園應(yīng)配備麻醉捕捉用品，專人保管，定期檢查。且設(shè)立醫(yī)務(wù)室且安排具有急救、止血知識(shí)的醫(yī)務(wù)人員，因?qū)ν话l(fā)事件等進(jìn)行急救。

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PACS:88.40.jp,88.40.H—,88.40.hj DOI:10.7498/aps.66.048801

Analyses of the effect of mismatch on the performance of inverted GaInP/InxGa1-xAs/InyGa1-yAs triple-junction solar cells?

Ma Da-Yan1)Chen Nuo-Fu1)?Fu Rui1)Liu Hu1)2)Bai Yi-Ming1)Mi Zhe1)Chen Ji-Kun3)?

1)(School of Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)
2)(Department of Mathematics and Physics,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050041,China)
3)(School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

30 August 2016;revised manuscript

25 October 2016)

The traditional lattice matched GaInP/(In)GaAs/Ge triple-junction(3J)solar cell has no much room to enhance its practical achievable conversion efficiency because of its inappropriate ensemble of bandgap energies.According to the P-N junction formation mechanism and the close equilibrium condition,we explore a series of computational codes in the framework of MATLAB to simulate and optimize the inverted structure of series-connected 3J solar cells with afixed top bandgap of 1.90 eV on GaAs substrate.In this paper,structural optimization is conducted in the real device design,because the realistic(QE)is closely related to a set of material parameters in the subcell,i.e.,the absorbtion coefficient of material,subcell thickness,minority carrier diffusion length,surface recombination velocity,etc.

The results indicate improved inverted 3J solar cells with nearly optimized bandgaps of 1.90,1.38,and 0.94 eV,by utilizing two independently lattice-mismatches(0.17%and 2.36%misfit respectively)to the GaAs substrate.A theoretical efficiency of 51.25%at 500 suns is demonstrated with this inverted design with the optimal thickness(4μm GaInP top and 3.1μm InGaAs middle).By contrast,the efficiency with the infinite thickness of subcells is reduced by 1%,which is mainly attributed to the effect of minority carrier recombination onJsc.Exactly speaking,if photo-generated carriers make a contribution toJsc,they must be collected effectively by the P-N junction before recombining.A new model is proposed based on the effect of dislocation on the metamorphic structure properties by regarding dislocation as minority-carrier recombination center.Our calculation indicates that threading dislocations density in the middle junction is approximate to 1.70×105cm-2when dislocations in the gradient buffer layer are neglected.The theoretical efficiency is increased by 0.3%compared with the inverted design containing a single metamorphic junction.

As a result,based on the two metamorphic combinations,a solar cell with an area of 30.25 mm2is prepared.The efficiency of the designed cell with two lattice-mismatched junctions reaches 40.01%at 500 suns(AM1.5D,38.4 W/cm2,25?C),which is 0.4%higher than that of the single metamorphic junction 3J solar cell.

triple-junction solar cell,inverted structure,dislocation,two lattice-mismatched junctions

:88.40.jp,88.40.H—,88.40.hj

10.7498/aps.66.048801

?北京市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：2151004)資助的課題.

?通信作者.E-mail：nfchen@ncepu.edu.cn

?通信作者.E-mail：jikunchen@ustb.edu.cn

*Project supported by the Natural Science Foundation of Beijing,China(Grant No.2151004).

?Corresponding author.E-mail：nfchen@ncepu.edu.cn

? Corresponding author.E-mail：jikunchen@ustb.edu.cn