p層空穴濃度及厚度對InGaN同質(zhì)結(jié)太陽電池性能的影響機理研究*

潘洪英 全知覺

(南昌大學(xué), 國家硅基LED工程技術(shù)研究中心, 南昌 330047)

采用數(shù)值模擬的方法, 研究了p層空穴濃度和厚度對不同銦組分InGaN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池性能的影響規(guī)律及其內(nèi)在機理.模擬計算的結(jié)果顯示:隨著p層空穴濃度和厚度的增加, 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率均呈先增加、后略微下降的趨勢; 而且銦組分越高, p層空穴濃度和厚度的影響越大.為更好地理解這一規(guī)律, 本文從太陽電池的收集效率、I-V特性、內(nèi)建電場和載流子輸運等方面分析, 闡述了其背后的物理機理; 研究結(jié)果對InGaN太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗制備有一定的理論指導(dǎo)意義.

1 引 言

Ⅲ族氮化物材料因其極具吸引力的固有特性在半導(dǎo)體行業(yè)中備受矚目[1?4], 其中三元合金InGaN材料以其優(yōu)越的光伏特性得到眾多科研工作者的青睞.通過調(diào)節(jié)銦組分可以使InGaN材料的禁帶寬度從3.4 eV(GaN)到 0.65 eV(InN)連續(xù)可調(diào)[5,6],對應(yīng)的吸收波長覆蓋整個可見光太陽光譜[7].此外,InGaN 材料具有高吸收系數(shù) (～105cm–1)[8]、高載流子遷移率[9]、高化學(xué)穩(wěn)定性[10,11]、高耐輻射性[12]和高導(dǎo)熱性[7].因此, 其具有成為高效太陽電池和空間太陽電池[12]的巨大潛能.

由于異質(zhì)結(jié)界面勢壘的存在, 在理論上, InGaN同質(zhì)結(jié)相對于異質(zhì)結(jié)具有更好的光伏特性[13].另外, p-i-n結(jié)構(gòu)中本征層(i層)可以起到拓寬入射光吸收區(qū)的作用[14], 因此p-i-n結(jié)構(gòu)比p-n結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢.很多研究團隊對InGaN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池進行了大量的實驗研究, 但是實驗室制備出的電池光電轉(zhuǎn)換效率均低于 5%[14?17].眾所周知, 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是太陽電池光電性能的綜合體現(xiàn), 也是衡量電池優(yōu)劣的重要參數(shù); 它由各種影響因素—摻雜、厚度、銦組分、少數(shù)載流子壽命、缺陷密度等共同決定.深入理解上述因素對轉(zhuǎn)換效率的影響機理是改善太陽電池性能的關(guān)鍵.Feng等[18]以及Wu等[19]通過模擬研究了InxGa1–xN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池中i層背景摻雜濃度, 銦組分, 厚度和缺陷密度對電池轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律, 但均未對p層參數(shù)進行研究.雖然周梅和趙德剛[20]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(Jsc)、開路電壓(Voc)、轉(zhuǎn)換效率等性能的影響, 但未進行深層物理機制的剖釋.Benmoussa等[21]和Mesrane等[22]通過模擬軟件分別優(yōu)化了In0.52Ga0.48N pn結(jié)以及In0.622Ga0.378N pn結(jié)中p層的最佳摻雜濃度, 優(yōu)化后得到的最佳摻雜濃度分別為 1 ×1015cm–3和 1.5 × 1018cm–3.他們未考慮器件模型中p層摻雜劑Mg的離化問題, 且均未就p層摻雜濃度對太陽電池性能的影響規(guī)律及其內(nèi)在機理進行詳細分析.綜合他們的結(jié)果可得:對于不同銦組分的InGaN太陽電池, p層的最佳摻雜濃度不同.但是目前尚未見有文獻對該現(xiàn)象進行解釋.隨著銦組分的增加, InGaN材料的臨界厚度變薄[23]、p型摻雜困難[21], 這使得研究p層空穴濃度及厚度的影響機理變得十分重要而迫切.本文,通過數(shù)值模擬, 分別研究p層空穴濃度和厚度對不同銦組分InxGa1–xN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律, 并從物理機理上分析形成這一影響規(guī)律的內(nèi)在原因.本文的研究將有助于理解p層參數(shù)對電池轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律, 為實驗現(xiàn)象的合理分析提供詳細的理論支持, 對今后InGaN同質(zhì)結(jié)太陽電池的設(shè)計及制備有一定的指導(dǎo)作用.

2 數(shù)值模型

模擬求解的主要物理方程包括輸運方程(漂移擴散輸運模型和能量平衡輸運模型)、泊松方程、自由空穴的連續(xù)性方程和自由電子的連續(xù)性方程等.本文通過商業(yè)模擬軟件ATLAS[24]模塊建立InGaN p-i-n 同質(zhì)結(jié)太陽電池數(shù)值模型, 在 300 K, 一個太陽AM1.5(100 mW/cm2)的輻照環(huán)境下進行一系列的器件性能模擬.

InxGa1–xN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)如圖1所示.整個器件面積為 100 μm × 100 μm.由于是同質(zhì)結(jié), 器件內(nèi)部界面處由極化產(chǎn)生的等效界面電荷為零; 另外, 考慮到表面態(tài)的補償作用, 整個器件上、下表面由極化產(chǎn)生的束縛電荷均被假設(shè)為零.GaN中Mg受主的熱激活能高達140—220 meV,Mg受主的離化率為1%—5%[25,26], 使得p型GaN空穴濃度很低.所以在模型中p型InxGa1–xN材料中Mg摻雜劑的離化率設(shè)為1%[27]; 電池表面無光反射; 電池的電極接觸為歐姆接觸且陽極的遮光面積為5%[28]; 前表面和背表面復(fù)合速度為1 ×104cm/s[28]; 復(fù)合模型為俄歇復(fù)合和Shockley-Read-Hall (SRH)復(fù)合, 電子和空穴的俄歇復(fù)合系數(shù)均為 1.4 × 10–30cm6/s[29], InxGa1–xN 材料的 SRH 少子壽命設(shè)定為1 ns[30].表1中的參數(shù)作為器件結(jié)構(gòu)的基準參數(shù), 通過僅改變其中的某一個參數(shù)來模擬計算該參數(shù)對太陽電池性能的影響規(guī)律.

InxGa1–xN三元合金的禁帶寬度可通過(1)式[31]計算得到:

圖1 InxGa1–xN p-i-n 同質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 y 是距離 p 層表面的位置, y= 0 代表 p 層表面Fig.1.Schematic of InxGa1–xN p-i-n homojunction solar cells.y is the position measured from the p-layer surface and y= 0 represents the p-layer surface.

表1 InxGa1–xN p-i-n 同質(zhì)結(jié)器件中的基準參數(shù)Table 1.Parameters of baseline for InxGa1–xN p-i-n homojunction solar cells.

式 中 ,Eg,InN=0.65eV 和Eg,GaN=3.42eV 分 別 為InN與GaN的禁帶寬度;b為InxGa1–xN的彎曲因子, 值為 1.43 eV[32].

InxGa1–xN三元合金的吸收系數(shù)可根據(jù)(2)式[28]計算得到:

式中,E為入射的光子能量;Eg為材料的禁帶寬度;a和b為擬合參數(shù)[33], 擬合參數(shù)在模擬文獻中很容易找到[8,28,32,34].

電子親和勢(Ea)的表達式為

式中,Ea,InN=5.6eV ,Ea,GaN=4eV , 分別為 InN與 GaN 的電子親和勢;c= 0.8 eV 是彎曲因子[34].

GaN及InN的電子遷移率和空穴遷移率分別通過(4)式[35]計算得到:

式中,N為摻雜濃度;μmax,μmin和g為指定半導(dǎo)體材料的參數(shù)[28].

InxGa1–xN三元合金的電子遷移率(μInxGa1?xN,e)和空穴遷移率(μInxGa1?xN,h)則分別通過線性插值進行計算, 見(5)和式(6).

(5) 和 (6) 式中,μInN,e,μInN,h分別為 InN 的電子遷移率和空穴遷移率;μGaN,e,μGaN,h分別為 GaN 的電子遷移率和空穴遷移率.均可通過(4)式計算得到.

載流子產(chǎn)生率G(y)[19]可表示為

在整個p-i-n太陽電池結(jié)構(gòu)中, 收集效率ηCollection(collection efficiency)定義為光生電流產(chǎn)生的電荷載流子數(shù)與光生電荷載流子總數(shù)之比[18].表達式如下:

式中,Jsc為太陽電池的短路電流密度,q為電子電荷量.

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率ηConversion由方程(9)[22]給出:

式中,Pin為太陽光譜的入射功率,Isc為短路電流,Voc為開路電壓,FF為太陽電池的填充因子.

InxGa1–xN三元合金的介電常數(shù)、電子質(zhì)量、空穴質(zhì)量等均通過線性插值進行計算獲得.模擬中, GaN與InN的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)來源于參考文獻[28].

3 結(jié)果與討論

3.1 p層空穴濃度對電池轉(zhuǎn)換效率的影響

圖2(a)為電池轉(zhuǎn)換效率隨p層空穴濃度的變化圖, 整體趨勢為:隨著空穴濃度的增加, 轉(zhuǎn)換效率先增加后略微下降.但對于不同銦組分的同質(zhì)結(jié)電池, 其達到最大轉(zhuǎn)換效率的空穴濃度不同.銦組分為20%, 40%和60%的同質(zhì)結(jié)分別在1 × 1017,2 × 1017及 1 ×1018cm–3時獲得最大轉(zhuǎn)換效率, 其與 3 × 1016cm—3所對應(yīng)的最小轉(zhuǎn)換效率之間的降低率分別為9.13%, 40.62%及 62.27%.降低率隨著銦組分的增加而增大, 說明p層空穴濃度對高銦組分太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響更大.那么當(dāng)p層空穴濃度改變時, 影響電池轉(zhuǎn)換效率的主導(dǎo)因素是什么？本文通過收集效率, 內(nèi)建電場及I-V曲線來分析其內(nèi)在機理.

圖2 In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N 和 In0.6Ga0.4N p-i-n 同質(zhì)結(jié)電池中, (a)轉(zhuǎn)換效率和 (b)收集效率隨 p 層空穴濃度 NA+的關(guān)系Fig.2.(a) Conversion efficiencies and (b) collection efficiencies with various NA+ for In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N, In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells, respectively.

圖3 (a) In0.2Ga0.8N, (c) In0.4Ga0.6N 和 (e) In0.6Ga0.4N p-i-n 同質(zhì)結(jié)在零偏壓及光照下, 不同空穴濃度 (NA+)下的內(nèi)建電場; (b)In0.2Ga0.8N, (d) In0.4Ga0.6N 和 (f) In0.6Ga0.4N p-i-n 同質(zhì)結(jié)在不同空穴濃度 (NA+)下的 I-V 曲線Fig.3.Under AM1.5 illumination and zero bias, electric-field of (a) In0.2Ga0.8N, (c) In0.4Ga0.6N and (e) In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells with various hole concentration (NA+); I-V curves of (b) In0.2Ga0.8N, (d) In0.4Ga0.6N and (f) In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells with various hole concentration (NA+), respectively.

通過分析不同銦組分太陽電池在光照下的內(nèi)建電場 (圖3(a), (c), (e)), 發(fā)現(xiàn)空穴濃度降低, 主電場區(qū)的電場強度也隨之降低(本文把p層與i層之間的內(nèi)建電場稱為主電場, n層與i層之間的電場稱為副電場).這會使得主電場對光生電子空穴對的分離能力減弱, 最終導(dǎo)致收集效率和轉(zhuǎn)換效率的降低.圖2(b)為不同銦組分太陽電池的收集效率隨空穴濃度的變化圖, 圖中表明, 收集效率在達到最大值前, 隨著空穴濃度的降低而降低.這與上述分析相吻合.圖2(b)中收集效率隨空穴濃度改變的變化趨勢與圖2(a)中轉(zhuǎn)換效率的變化趨勢一致.那么, 收集效率是否就是影響轉(zhuǎn)換效率的主要原因呢？

通過進一步比較圖2(a)和圖2(b), 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率達到最大值所對應(yīng)的空穴濃度比收集效率達到最大值所對應(yīng)的空穴濃度更大.例如In0.6Ga0.4N在空穴濃度為 1 ×1018cm–3時達到最大轉(zhuǎn)換效率,而在 1 ×1017cm–3就已經(jīng)達到最大收集效率.這說明隨著p層空穴濃度的變化, 光生載流子的收集效率并不是制約電池轉(zhuǎn)換效率的唯一因素.通過比較不同空穴濃度下的I-V曲線(如圖3(b), (d), (f)),發(fā)現(xiàn)短路電流密度(Jsc)相差很小時(即收集效率相差不大),I-V曲線的最大功率點會隨著空穴濃度的降低而塌陷.這是因為空穴濃度越低, 串聯(lián)電阻(體電阻)越大.對于 p 型半導(dǎo)體, 其電導(dǎo)率σ=pqμp(式中p為p型半導(dǎo)體中的空穴濃度), 假設(shè)銦組分對μp的影響忽略不計, 那么不同銦組分的太陽電池因空穴濃度變化引起的串聯(lián)電阻的阻值變化相同.由于銦組分越高, 其產(chǎn)生的電流密度越大, 那么串聯(lián)電阻帶來的功率損耗就越大, 最終導(dǎo)致最大功率點的塌陷程度越嚴重.所以當(dāng)主電場強度不再成為阻礙電子空穴對分離的原因時, 串聯(lián)電阻依然是影響電池轉(zhuǎn)換效率的一大因素, 這也就是為什么收集效率已經(jīng)達到了最大值, 而轉(zhuǎn)換效率還未達到最大值的內(nèi)在原因.而圖2(a)中的轉(zhuǎn)換效率達到最大值后, 隨著p層空穴濃度的增加, 轉(zhuǎn)換效率會略微降低的原因則是因為隨著p層摻雜濃度的增加, 少數(shù)載流子的遷移率會降低, 導(dǎo)致收集效率減小(如圖2(b)所示), 進而降低了轉(zhuǎn)換效率.

圖2(a)中還表明高銦組分的太陽電池需在相對更高的空穴濃度下才能達到最佳轉(zhuǎn)換效率.通過分析發(fā)現(xiàn)這背后的原因有兩個:其一, 同一空穴濃度下, 銦組分越高, 材料帶隙越窄, pn 結(jié)的內(nèi)建電場場強降低, 即光照下的主電場場強越弱.如圖3(a)和圖3(e)所示, In0.6Ga0.4N 需要在高于 1 ×1017cm–3的空穴濃度下的電場強度才能與In0.2Ga0.8N在5 × 1016cm–3的空穴濃度下的內(nèi)建電場強度相當(dāng).當(dāng)電場強度低于某一臨界值時, 其分離能力不足以將絕大部分光生電子空穴對分離, 會對收集效率造成不利影響; 只有當(dāng)電場強度達到或超過該臨界值時, 其對載流子的收集才不會造成影響.本文把該臨界值所對應(yīng)的電場稱為“閾值電場”.其二, 銦組分越高, 能吸收的太陽光譜波段越寬, 其光生載流子越多, 所需的閾值電場就越高.因此, 高銦組分的電池在更高的空穴濃度下才能達到最大轉(zhuǎn)換效率.

綜上, 當(dāng)空穴濃度很低時, 內(nèi)建電場和串聯(lián)電阻共同限制了電池的轉(zhuǎn)換效率; 隨著空穴濃度的增加, 內(nèi)建電場達到閾值, 對收集效率不再產(chǎn)生影響;此時, 串聯(lián)電阻的影響盡管減弱, 但它仍舊會降低有效輸出功率, 限制了轉(zhuǎn)換效率; 當(dāng)空穴濃度很大時, 遷移率成了限制轉(zhuǎn)換效率的因素.不同銦組分的InxGa1–xN p-i-n同質(zhì)結(jié)電池所對應(yīng)的最優(yōu)空穴濃度不同, 銦組分越高, 空穴濃度也需更高.在空穴濃度低于 1×1017cm–3時, In0.4Ga0.6N 太陽電池比In0.6Ga0.4N太陽電池的轉(zhuǎn)換效率更高(如圖2(a)所示).在實驗中, 銦組分越高, p 型摻雜越困難,x> 60%的 p型 InxGa1–xN甚至還會發(fā)生表面反型[36,37]; 因此, 當(dāng)工藝上無法實現(xiàn)合適的p層空穴濃度時, 不應(yīng)一味追求高銦組分, 否則會產(chǎn)生適得其反的效果.

3.2 p層厚度對電池轉(zhuǎn)換效率的影響

圖4 In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N 和 In0.6Ga0.4N p-i-n 同質(zhì)結(jié)電池中, (a)轉(zhuǎn)換效率和 (b)收集效率隨 p 層厚度的變化Fig.4.(a) Conversion efficiency and (b) collection efficiency versus p-layer thickness for In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N and In0.6Ga0.4N p-in homojunction solar cells, respectively.

InxGa1–xN 合金的帶邊吸收系數(shù)高達 105cm–1,幾百納米的厚度就可以吸收絕大多數(shù)的入射光[38].圖4(a)為轉(zhuǎn)換效率隨p層厚度變化的曲線圖, 由圖可知, 轉(zhuǎn)換效率達到最大值后會隨著p層厚度的增大而降低.這是由于p層厚度增大, 收集效率降低造成的(如圖4(b)所示).在同質(zhì)結(jié)中, p層也會吸收大量的入射光, 為了讓i層盡可能多地吸收入射光, p層厚度是否越薄越好呢？周梅等人通過數(shù)值模擬研究p層厚度對InGaN p-i-n太陽電池的影響發(fā)現(xiàn)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率會隨著p層厚度的增加而單調(diào)降低, 他們認為造成這一現(xiàn)象的原因是由于短路電流會隨著p層厚度的增加而持續(xù)降低[20].但在本文中, 隨著p層厚度的增加, InGaN太陽電池的轉(zhuǎn)換效率先增加后降低(如圖4(a)所示), 與周梅等人所報道的變化規(guī)律不同.那么導(dǎo)致圖4(a)所示的變化規(guī)律的因素是什么？有研究者指出:當(dāng)把表面復(fù)合納入考慮后, 在p層厚度很薄時, 太陽電池轉(zhuǎn)換效率較低是由于p層表面離耗盡區(qū)太近使收集效率降低造成的[22].但是本文中太陽電池的收集效率并沒有隨著p層厚度的減薄而急劇下降(如圖4(b)所示).

為澄清這一問題, 本文進一步分析了不同表面復(fù)合速度下, In0.6Ga0.4N p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池Jsc和轉(zhuǎn)換效率隨p層厚度變化的曲線, 如圖5所示.由圖可知, 隨著表面復(fù)合速度的增大,Jsc呈現(xiàn)下降的趨勢.這說明表面復(fù)合速度越大, 會造成短路電流的減小, 從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的降低.但在同一表面復(fù)合速度下, 即使表面復(fù)合速度非常大(=1 ×106cm/s)時,Jsc未如文獻 [22]那樣隨著 p 層厚度的減小而降低, 反而是單調(diào)增加的, 這是因為p層越薄, p層被主電場覆蓋的區(qū)域占p層的比重就越大, 更有利于p層產(chǎn)生的光生載流子的分離.且p層越薄, 主電場離陽極的距離就越短, 載流子的輸運距離變短, 也有利于光生載流子的收集; 同時, 在 p 層厚度小于 0.1 μm 后, 仍舊存在轉(zhuǎn)換效率隨著p層厚度的減小而降低的現(xiàn)象; 而且, 表面復(fù)合速度越大, 最佳的p層厚度反而越薄, 如圖5(b)所示.由此可知, 盡管表面復(fù)合速度對轉(zhuǎn)換效率的影響很大, 但其顯然并不是“轉(zhuǎn)換效率隨著p層厚度減薄而下降”現(xiàn)象的主要原因, 即圖4(a)中p層厚度較薄時, 轉(zhuǎn)換效率隨著p層厚度減薄而下降的現(xiàn)象可能并不是如文獻[22]所述的由于p層表面離耗盡區(qū)太近造成, 而可能是由另一物理機理造成的.

為了探究上述的疑惑—p層厚度較薄時, 轉(zhuǎn)換效率為什么會隨著p層厚度的減薄而下降？本文比較了不同銦組分太陽電池在不同p層厚度下的I-V曲線(圖6(a)), 發(fā)現(xiàn)p層厚度越薄, 不同銦組分太陽電池的I-V曲線上的最大功率點均存在不同程度的坍塌現(xiàn)象, 該現(xiàn)象顯然是由串聯(lián)電阻造成的.分析其機理:當(dāng) p 層厚度越薄, 沿平行于pn結(jié)的載流子橫向輸運的比重逐漸增大; 同時橫向輸運的截面積減小, p層載流子橫向輸運受到的阻礙就越大; 這兩者都會使得串聯(lián)電阻增大, 即串聯(lián)電阻會隨著p層厚度的減薄而增大.串聯(lián)電阻越大, 填充因子就會越小, 電池的轉(zhuǎn)換效率也會隨之降低.我們根據(jù)電阻計算公式為電阻率,S為p層橫向截面積,l為p層厚度)計算了整個p層的橫向電阻.圖6(b)為In0.6Ga0.4N p-i-n太陽電池在不同p層厚度下, 整個p層的橫向電阻阻值, 可知當(dāng)p層厚度降低時, 其橫向電阻會急劇增大.這從側(cè)面證明了p層厚度的減薄, 會導(dǎo)致載流子在p層橫向輸運時受到的阻礙增大.圖6(a)還表明, 銦組分越高, 最大功率點坍塌越嚴重.根據(jù)DV=IRs, 銦組分越高, 其光生電流密度越大, 其串聯(lián)電阻(Rs)的分壓DV則越大, 串聯(lián)電阻帶來的功率損耗也越大.這解釋了圖4(a)中60%銦組分太陽電池轉(zhuǎn)換效率的降幅大于20%和40%銦組分太陽電池的降幅的現(xiàn)象.

圖5 不同表面復(fù)合速度下, In0.6Ga0.4N p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池在不同p層厚度下的(a)短路電流密度(Jsc)和(b)轉(zhuǎn)換效率Fig.5.(a) Short current density (Jsc) and (b) conversion efficiency of In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells with various p-layer thickness at different surface recombination velocities.

圖6 (a) In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N 和 In0.6Ga0.4N p-i-n 同質(zhì)結(jié)電池在不同 p 層厚度下的 I-V 曲線; (b)不同 p 層厚度下 In0.6Ga0.4N p-i-n同質(zhì)結(jié)電池p層的橫向電阻Fig.6.(a) I-V curves of In0.2Ga0.8N, In0.4Ga0.6N and In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells with various p-layer thickness and (b)the lateral resistance of p-layer for In0.6Ga0.4N p-i-n homojunction solar cells.

綜上, 通過分析p層厚度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響發(fā)現(xiàn), 當(dāng)p層厚度降低時, 收集效率會略微降低且載流子在p層的橫向擴散受阻, 串聯(lián)電阻增大, 這使得太陽電池轉(zhuǎn)換效率下降; 銦組分越高,串聯(lián)電阻帶來的功率損耗越大, 導(dǎo)致高銦組分的太陽電池轉(zhuǎn)換效率的降幅隨p層厚度的減薄而增大;當(dāng)p層厚度超過一定值時, 隨著p層厚度的增加,p層表面產(chǎn)生的電子空穴對由于距主電場區(qū)較遠導(dǎo)致很多電子空穴對因復(fù)合而無法被兩端的電極收集, 最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降.在實驗中, InxGa1–xN材料的臨界厚度會隨著銦組分的增加而降低[23],這凸顯了p層厚度在高銦組分太陽電池設(shè)計中的重要性.當(dāng)表面復(fù)合速度大于 1 ×104cm/s時, 為了減小表面復(fù)合對p層光生電子空穴對的影響, 高銦組分的p層厚度不應(yīng)超過0.1 μm.

4 結(jié) 論

本文模擬研究了InxGa1–xN p-i-n同質(zhì)結(jié)太陽電池p層空穴濃度和p層厚度對太陽電池性能的影響規(guī)律, 并從物理上詳細闡述了該變化規(guī)律下的內(nèi)在機理.p層空穴濃度的增加會使轉(zhuǎn)換效率先增加后略微下降.當(dāng)p層空穴濃度很低時, 內(nèi)建電場場強較弱, 對光生電子空穴對的分離能力不足導(dǎo)致收集效率下降.此外, p 層空穴濃度越低, 太陽電池的串聯(lián)電阻就越大, 這使得串聯(lián)電阻帶來的功率損耗越大.所以收集效率降低和串聯(lián)電阻增大共同導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換效率降低.隨著空穴濃度的增大, 內(nèi)建電場達到閾值, 對收集效率不再產(chǎn)生影響; 此時, 串聯(lián)電阻的影響盡管減弱, 但它仍舊降低了有效輸出功率, 限制了轉(zhuǎn)換效率; 當(dāng)空穴濃度很大時, 遷移率成了限制轉(zhuǎn)換效率的主要因素.模擬結(jié)果還表明, p層厚度的增加也會使轉(zhuǎn)換效率先增加后略微下降.p層厚度越薄, 沿平行于pn結(jié)的載流子橫向輸運的比重逐漸增大; 同時橫向輸運的截面積減小, p層載流子橫向輸運受到的阻礙就越大.即p 層越薄, 帶來的串聯(lián)電阻越大.所以, 隨著 p 層厚度的減薄, p層橫向串聯(lián)電阻的增大是導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低的主要原因.當(dāng)p層厚度超過一定厚度時,隨著p層厚度的增加, p層表面產(chǎn)生的很多電子空穴對因為擴散到主電場距離的增大而復(fù)合了, 進而導(dǎo)致收集效率和轉(zhuǎn)換效率的降低.當(dāng)表面復(fù)合速度大于 1×104cm/s時, 為了減小表面復(fù)合對 p 層光生電子空穴對的影響, 高銦組分的p層厚度應(yīng)不超過 0.1 μm.