賴萌華,張保平

(廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建廈門361005)

·綜 述·

InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展

賴萌華,張保平*

(廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建廈門361005)

InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池在擴(kuò)寬氮化物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)和提高電池效率方面有較大優(yōu)勢(shì),近幾年來(lái)受到了廣泛關(guān)注．本文回顧了InGaN/GaN量子阱電池發(fā)展歷程,論述了量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外界條件對(duì)InGaN/GaN量子阱電池效率的影響,介紹了為提高InGaN/GaN量子阱電池效率所進(jìn)行的關(guān)鍵工藝技術(shù)研究,總結(jié)了實(shí)現(xiàn)高效InGaN/GaN量子阱電池需要解決的問(wèn)題和可能解決方案,為高效InGaN/GaN量子阱電池的實(shí)現(xiàn)提供參考．

InGaN/GaN量子阱;太陽(yáng)能電池;氮化物半導(dǎo)體;GaN;InGaN

InxGa1-xN(x為In元素的原子分?jǐn)?shù)，即In組分)三元合金材料通過(guò)改變In的組分可以實(shí)現(xiàn)從窄帶隙(InN:0.64 eV)到寬帶隙(GaN:3.4 eV)的連續(xù)調(diào)節(jié),可吸收光波段從近紅外一直延伸到紫外,基本覆蓋了整個(gè)太陽(yáng)光譜[1],InGaN材料帶隙對(duì)應(yīng)的AM1.5(AM表示大氣質(zhì)量，數(shù)字1.5表示太陽(yáng)光通過(guò)大氣實(shí)際距離與大氣垂直垂直厚度的比值，下同)太陽(yáng)光譜的覆蓋范圍如圖1所示.同時(shí)InGaN材料具有光吸收系數(shù)高(達(dá)到10-5cm-1)、耐高溫、抗輻射性好等特點(diǎn),已成為制備太陽(yáng)能電池的理想材料,為實(shí)現(xiàn)高效多結(jié)(multiple junction,MJ)太陽(yáng)能電池[2]提供了可能．

在理想情況下,MJ的InGaN太陽(yáng)能電池的理論效率最高可達(dá)到85%[3]．2005年,Jani等首先利用InGaN材料制備了p-i-n型異質(zhì)結(jié)和量子阱2種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池,并測(cè)量在紫外及白光輻照下電池的響應(yīng)特性[4]．2007年他們進(jìn)一步制備了In組分為0.05的具有2.4 V開路電壓、內(nèi)量子效率為60%的p-i-n型In0.05Ga0.95N/GaN異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池[5],并指出InGaN材料的相分離[6]和較高的電極接觸電阻會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響．2008年，Neufeld等通過(guò)優(yōu)化頂部電極接觸層,制備了p-i-n型In0.12Ga0.88N/GaN異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,在AM0(1 366 W/m2)太陽(yáng)光譜輻照下,得到電池的峰值外量子效率為63%、內(nèi)量子效率達(dá)到94%[7]．同年,Zheng等制備了晶體質(zhì)量較好的p-i-n型In0.1Ga0.9N/GaN異質(zhì)結(jié)電池[8],在AM1.5(1 000 W/m2)太陽(yáng)光譜輻照下,得到的電池的開路電壓為2.1 V、填充因子達(dá)到81%．在研究InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)電池的同時(shí),研究者們也相繼對(duì)InGaN同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了研究．2007年,Yang等制作了In組分約為0.18的p-n型InGaN同質(zhì)結(jié)電池[9],但受p型InGaN層摻雜困難和質(zhì)量較差的影響,在紫外輻照下只得到了0.43 V的開路電壓．2008年,Chen等制備了第一個(gè)In組分達(dá)到0.3的p-i-n型InGaN同質(zhì)結(jié)電池[10],在紫外激光輻照下,得到電池的開路電壓為2.5 V,但由于In組分增大引起材料質(zhì)量下降,影響了電池性能．2012年,Cai等對(duì)比研究了具有相同耗盡區(qū)寬度(150 nm)的不同In組分(0.12和0.15)的p-i-n型InGaN同質(zhì)結(jié)和In組分(0.135和0.16)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池特性[11],異質(zhì)結(jié)電池性能相比同質(zhì)結(jié)電池較好,InGaN材料質(zhì)量與外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)密切相關(guān),隨著In組分增大,材料的質(zhì)量降低．他們指出受高In組分InGaN材料質(zhì)量和p型摻雜的困難限制,異質(zhì)結(jié)的InGaN太陽(yáng)能電池與同質(zhì)結(jié)電池相比是發(fā)展高In組分InGaN電池的較好結(jié)構(gòu)選擇．不管是同質(zhì)結(jié)還是異質(zhì)結(jié)InGaN太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu),以InGaN作為吸收層的太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)吸收端大約在420 nm,限制了電池的轉(zhuǎn)換效率,而電池效率的提高,需要擴(kuò)展電池的光譜響應(yīng)來(lái)與太陽(yáng)光譜更加匹配,這就要求提高InGaN 吸收層的In組分．然而,提高In組分會(huì)增大與GaN之間的晶格失配,在材料中引入大量缺陷,對(duì)電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響．

而InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的本征層由帶隙窄的InGaN材料作為勢(shì)阱層和帶隙寬的GaN材料作為勢(shì)壘層周期性交替生長(zhǎng)組成,也可能利用雙軸應(yīng)力保持不同材料共格生長(zhǎng),形成應(yīng)變結(jié)構(gòu)[12],能夠減緩材料間晶格失配引起的應(yīng)力積累,有利于生長(zhǎng)高In組分材料進(jìn)而擴(kuò)大光譜響應(yīng)范圍．因此,可以通過(guò)在電池中引入量子阱結(jié)構(gòu)以增加薄膜中In的組分,同時(shí)利用勢(shì)阱和勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控有效調(diào)節(jié)電池的吸收帶隙,從而擴(kuò)展電池的吸收光譜[13]．2009年,Dahal等制備了本征光吸收層由8個(gè)周期的In0.3Ga0.7N/GaN(InGaN阱厚/GaN壘厚為3 nm/8 nm)量子阱組成的太陽(yáng)能電池[14]來(lái)抑制InGaN合金層的相分離,電池的外量子效率響應(yīng)在波長(zhǎng)420 nm達(dá)到40%,響應(yīng)光譜超過(guò)了450 nm,并指出了窗口層、有源區(qū)吸收層厚度和晶體質(zhì)量等是限制電池量子效率的因素,這是第一次報(bào)道的具有較寬的光譜響應(yīng)且外量子效率較高的InGaN量子阱太陽(yáng)能電池．2010年,他們又制備了前表面鍍減反射膜,由12個(gè)周期組成底面增加反射鋁鏡的In0.35Ga0.65N/GaN量子阱電池[15],在AM1.5太陽(yáng)光譜的30倍光強(qiáng)下使電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.03%．2011年,Liou等在SiCN/Si(111)襯底上制備了InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池[16],通過(guò)優(yōu)化量子阱區(qū)域的設(shè)計(jì)(In組分0.19～0.36,量子阱寬度2.3～12 nm,量子阱周期5～25對(duì)),制備了本征光吸收層由20個(gè)周期組成的In0.19Ga0.81N/GaN(2.3 nm/12.7 nm)量子阱電池,電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.95%,電池結(jié)構(gòu)如圖2所示．同年,Farrell等通過(guò)在量子阱層兩側(cè)添加高摻雜的p型GaN層和n型GaN層,減小由量子阱數(shù)目增加導(dǎo)致的極化效應(yīng)對(duì)電池的負(fù)面影響,并對(duì)p型GaN窗口層粗化來(lái)減小電池表面的反射損失,制備了由30個(gè)周期的In0.28Ga0.72N/GaN(2.2 nm/8 nm)量子阱太陽(yáng)能電池[17],將電池的外量子效率響應(yīng)波長(zhǎng)提高到520 nm,電池的結(jié)構(gòu)如圖3所示．之后,Bae等利用激光剝離技術(shù)和鍵合技術(shù)將在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)電池轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱性較好的硅襯底上,制備了具有底面反射鏡和電池前表面粗化的垂直結(jié)構(gòu)InGaN/GaN量子阱電池[18],提高了電池的散熱效率,增加了電池的有效光吸收．垂直結(jié)構(gòu)電池的短路電流、填充因子和外量子效率光譜響應(yīng)相對(duì)傳統(tǒng)側(cè)向結(jié)構(gòu)電池獲得了提高,電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.3%．此外,研究者們也通過(guò)其他的工藝,如在電池前面制備納米結(jié)構(gòu)[19]、減反射介質(zhì)膜、底面制備反射鏡[20]等,以提高InGaN/GaN量子阱電池的性能．

本文著重對(duì)影響InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池效率的因素及提高InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵工藝兩方面進(jìn)行介紹．

圖1 InGaN材料帶隙對(duì)應(yīng)的AM1.5太陽(yáng)光譜的覆蓋范圍,右側(cè)圖為一般的MJ太陽(yáng)能電池材料(Ge、GaAs、GaInP)對(duì)應(yīng)的帶隙[1]

圖2 SiCN/Si(111)襯底上制備的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖[16]

圖3 In0.28Ga0.72N/GaN(2.2 nm/8 nm)量子阱太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖[17]

1 影響InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池效率的因素

InGaN量子阱區(qū)域中的In組分、量子阱的周期、壘的厚度、阱的厚度[21]、摻雜及光強(qiáng)和溫度會(huì)對(duì)電池的有效吸收帶隙、晶體質(zhì)量、載流子的輸運(yùn)與收集產(chǎn)生影響,從而影響電池的性能．影響InGaN量子阱太陽(yáng)能電池性能的因素主要分為量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外界測(cè)試條件2個(gè)方面．

實(shí)線箭頭和虛線箭頭分別表示“增加”和“減小”的變化趨勢(shì).

1.1 量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池特性的影響

InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池特性的影響如圖4所示.

1.1.1 量子阱區(qū)域In組分

2013年Choi等制備了由5個(gè)周期的InGaN/GaN(3 nm/10 nm)量子阱組成的、In組分分別為0.17和0.25的太陽(yáng)能電池,研究了不同In組分對(duì)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的載流子逃逸的影響[22]．In組分為0.25的電池的短路電流密度、開路電壓和填充因子相對(duì)In組分為0.17的電池較小,雖然外量子效率響應(yīng)光譜向長(zhǎng)波段移動(dòng)(即紅移),但外量子效率較低.主要是由于In組分增大導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降和阱中極化效應(yīng)增強(qiáng),使載流子的逃逸幾率減?。?014年,Kim等制備了In組分分別為0.05，0.15，0.28的由7個(gè)周期的InGaN/GaN (3 nm/10 nm)量子阱組成的垂直結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池,研究了In組分對(duì)電池載流子輸運(yùn)的影響[23],電池的結(jié)構(gòu)如圖5所示．隨著In組分的增大,電池的短路電流密度增加,而開路電壓和填充因子下降．在3種波段電池中,In組分為0.28的量子阱太陽(yáng)能電池的短路電流密度和外量子效率響應(yīng)范圍最大,而開路電壓和填充因子最小,這些結(jié)果也是由于高In組分引起材料晶體質(zhì)量和載流子輸運(yùn)效率下降造成的．Zhao等制備了雙In組分的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池來(lái)提高電池的外量子效率的響應(yīng)范圍[24]．電池的本征光吸收層由8個(gè)周期的In0.15Ga0.85N/GaN(3 nm/6 nm)量子阱和8個(gè)周期的In0.23Ga0.77N/GaN(3 nm/6 nm)量子阱組成,與本征光吸收層由16個(gè)周期組成的In0.19Ga0.81N/GaN(3 nm/6 nm)量子阱太陽(yáng)能電池的特性相比，電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率比單In組分的InGaN量子阱電池分別提高了65%和13%,外量子效率響應(yīng)波段從430 nm擴(kuò)充到了475 nm．高能光子被上層的低In組分的量子阱吸收,低能光子被下層的較高In組分的量子阱吸收,因此擴(kuò)充了電池對(duì)入射光的吸收范圍．

總體來(lái)講,InGaN/GaN量子阱區(qū)域中In組分的增加,可以降低電池的有效吸收帶隙,增加光吸收的范圍,使電池的短路電流獲得提升,擴(kuò)寬光譜響應(yīng)范圍;但I(xiàn)n組分的增大也使InGaN阱層與GaN壘層間晶格失配引起的應(yīng)力積累增大,釋放應(yīng)力造成缺陷,引起晶體質(zhì)量下降,載流子復(fù)合增大;同時(shí)In組分增加,勢(shì)阱加深,阱中的極化效應(yīng)增強(qiáng),影響光生載流子的逃逸,導(dǎo)致電池短路電流、開路電壓和填充因子減?。虼?在量子阱區(qū)域設(shè)計(jì)中需要通過(guò)優(yōu)化In組分,來(lái)權(quán)衡晶體質(zhì)量和載流子輸運(yùn)與電池有效光吸收的關(guān)系,從而提高電池的性能．

圖5 垂直結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖[23]

1.1.2 量子阱周期數(shù)目

2013年,Sirona等利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了量子阱周期分別為5,15,30的In0.12Ga0.88N/GaN(1.3 nm/8 nm)量子阱太陽(yáng)能電池[25]．隨著量子阱周期的增加,電池在380 nm波長(zhǎng)的峰值外量子效率增加,但電池的并聯(lián)電阻略微減小,串聯(lián)電阻增大,這是由量子阱周期增大引起晶體質(zhì)量下降造成的．2014年,Yang等研究了量子阱周期數(shù)對(duì)InGaN/GaN 量子阱太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)的影響[26],他們制備了周期數(shù)分別為15，25，30 的In0.18Ga0.82N/GaN(3 nm/7.5 nm)量子阱太陽(yáng)能電池．隨著量子阱數(shù)目從15增加到25,電池的光吸收增大,但光譜響應(yīng)沒有得到提高,主要是由于量子阱數(shù)目增加導(dǎo)致耗盡區(qū)電場(chǎng)下降,使載流子的收集效率較低;而量子阱周期為30時(shí),電池在大于370 nm的中長(zhǎng)波段(該波段只在量子阱中有吸收)的光譜響應(yīng)顯著下降,主要是由于量子阱數(shù)目的增加使阱層應(yīng)力釋放概率增大,載流子復(fù)合增加,影響了光生載流子的收集．

總之,量子阱周期的增加能夠使阱中俘獲光子的數(shù)目增多,增加電池對(duì)光子的吸收效率,提升電池的短路電流密度;但量子阱周期的增加使耗盡區(qū)長(zhǎng)度增大,降低了耗盡區(qū)電場(chǎng),影響了光生載流子的收集;同時(shí)量子阱周期的增加使量子阱區(qū)域中InGaN阱層與GaN壘層間的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力積累增大,引起材料缺陷增加,晶體質(zhì)量下降,使得載流子輸運(yùn)過(guò)程中的復(fù)合損耗增大,導(dǎo)致電池的開路電壓下降．因此,在量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要合理選擇量子阱周期，使量子阱周期增加導(dǎo)致的入射光吸收增大引起的正面效果超過(guò)量子阱周期增加產(chǎn)生的復(fù)合損耗對(duì)電池性能帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng),從而提高電池的效率．

1.1.3 量子阱區(qū)域InGaN阱層的厚度

2014年,Redaelli等研究了量子阱厚度對(duì)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的有效帶隙和轉(zhuǎn)換效率的影響[27]．本征吸收層由30個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱組成,壘厚固定為8.5 nm,改變阱厚分別為1.3,3.1和5.4 nm．阱厚為3.1 nm的電池短路電路密度最大,相對(duì)阱厚為1.3 nm的電池的光譜響應(yīng)發(fā)生紅移,但開路電壓、填充因子相對(duì)較小,轉(zhuǎn)換效率大約只有阱厚為1.3 nm的電池的1/2;而阱厚為5.4 nm的電池的短路電流密度和開路電壓最小,在波長(zhǎng)370 nm的峰值外量子效率最低．主要是由于隨著阱厚的增加,帶間躍遷能降低,電池吸收邊紅移,增加了電池的光吸收,但阱厚增大也提高了阱層應(yīng)力釋放的概率,阱層缺陷密度增大,載流子復(fù)合增加,所以在較厚的阱中,器件性能的改善并不明顯．Chen等在藍(lán)寶石襯底上制備了隨著外延生長(zhǎng)方向阱厚不斷減小、量子阱厚度呈現(xiàn)階梯變化的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池[28],獲得了晶體質(zhì)量較好、與太陽(yáng)光譜更加匹配的結(jié)果．電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示,本征光吸收層由4組5個(gè)周期的In0.16Ga0.84N/GaN量子阱(壘厚均為3 nm；阱厚沿生長(zhǎng)方向由下至上分別為1.8，2.6，3.4，4.2 nm)組成,與由20個(gè)周期的In0.16Ga0.84/GaN(3 nm/6 nm)量子阱組成的普通InGaN/GaN量子阱電池的特性相比，阱厚階梯變化的電池的短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率比普通結(jié)構(gòu)量子阱電池分別提高了27.12%和56.41%,外量子效率響應(yīng)譜的截止邊也從450 nm擴(kuò)展到470 nm,在波長(zhǎng)375 nm的峰值外量子效率也從24%提高到了32%．阱厚階梯改變的電池使短波長(zhǎng)區(qū)域的光子被較薄的具有較大有效吸收帶隙的量子阱吸收,而長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域的光子被較厚的量子阱吸收,從而擴(kuò)寬了電池的外量子效率光譜響應(yīng)范圍,提高了電池的轉(zhuǎn)換效率．

圖6 階梯改變阱厚的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖[28]

雖然量子阱區(qū)域阱厚的增加能夠減小阱中量子化能量及有效內(nèi)建電場(chǎng),降低電池光吸收的有效帶隙,提高電池對(duì)低能光子的吸收,但阱厚增大也延長(zhǎng)了載流子逃逸的時(shí)間,不利于載流子的輸運(yùn),從而影響電池的短路電流;另外,阱厚較大時(shí),阱中應(yīng)力積累增加,導(dǎo)致阱的缺陷密度增大,使載流子的復(fù)合概率增大,電池的開路電壓下降．因此,在量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)量子阱區(qū)域的阱厚來(lái)權(quán)衡電池的有效吸收帶隙、晶體質(zhì)量與載流子收集和輸運(yùn)的關(guān)系．

1.1.4 量子阱區(qū)域GaN壘層的厚度

2012年,Wierer等制備了壘厚分別為3，6.3和10 nm,由15個(gè)周期的量子阱組成,阱厚固定為2.7 nm的In0.21Ga0.79/GaN量子阱太陽(yáng)能電池[29],研究了壘厚對(duì)電池的吸收、內(nèi)量子效率和電學(xué)性能的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn),壘厚為6.3 nm的電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率最大,而壘厚為3 nm的電池的峰值內(nèi)量子效率最高．隨著壘厚的增加,外量子效率光譜響應(yīng)紅移,電池的短路電流密度和填充因子下降．主要是由于壘厚增加,導(dǎo)致阱中極化電場(chǎng)增強(qiáng),引起阱中的躍遷能改變,降低了電池的有效吸收帶隙,增加了電池對(duì)低能光子的吸收,但壘厚增加,勢(shì)壘加深,使載流子的收集效率下降,影響電池的短路電流;且壘厚增大,使阱層應(yīng)力積累較大,增加了缺陷的產(chǎn)生,載流子的復(fù)合增大,使電池的漏電流增大,導(dǎo)致電池的開路電壓下降．Watanabe等也制備了壘厚分別為3和9 nm，由33個(gè)周期的In0.14Ga0.86N/GaN量子阱組成的阱厚固定為4 nm的量子阱太陽(yáng)能電池[30],研究了量子阱區(qū)域的壘厚對(duì)電池性能和晶體質(zhì)量的影響,得到了類似的結(jié)論．壘厚為3 nm的電池的開路電壓較小,主要是由于電池的陷阱輔助隧穿電流較大,使電池的反向漏電流較大．同年,Lang等通過(guò)改變量子阱的壘厚和測(cè)試溫度對(duì)InGaN/GaN量子阱電池中的載流子輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了研究[31],其中量子阱的光吸收層由15個(gè)周期的In0.11Ga0.89N/GaN量子阱組成,阱厚為2.5 nm,壘厚分別為3.8,6.5和9.7 nm．結(jié)果表明載流子輸運(yùn)主要包括載流子隧穿和熱發(fā)射,在壘層較薄、測(cè)試溫度較低時(shí),隧穿在載流子輸運(yùn)中占主要位置,而隨著溫度升高和壘厚增加,熱發(fā)射主導(dǎo)載流子輸運(yùn);隨著溫度升高,載流子的熱發(fā)射概率增大,能夠補(bǔ)償由于壘層較厚導(dǎo)致的隧穿概率下降．最近,Yang等通過(guò)改變量子阱區(qū)域的壘厚,研究了極化效應(yīng)和pGaN層電阻率對(duì)InGaN/GaN 量子阱太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)的影響[32]．本征光吸收層由壘厚分別為15,7.5和3.75 nm、阱厚固定為3 nm、15個(gè)周期的In0.3Ga0.7N/GaN量子阱組成．壘厚為7.5 nm的電池的外量子效率在波長(zhǎng)大于370 nm的中長(zhǎng)響應(yīng)波段最高,當(dāng)壘厚從15 nm降為7.5 nm時(shí),電池的外量子效率增大,主要是由于壘厚的降低導(dǎo)致阱中極化電場(chǎng)減小,載流子隧穿增強(qiáng)；而當(dāng)壘厚降為3.75 nm時(shí),外量子效率迅速下降,可能與p-GaN層較低的有效空穴摻雜導(dǎo)致的較高的電阻率降低了耗盡區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)．

可見,量子阱區(qū)域壘厚的增加,導(dǎo)致阱中極化電場(chǎng)增強(qiáng),使電子與空穴的波函數(shù)重疊降低,電池有效吸收帶隙減小,擴(kuò)寬了電池的吸收光譜;同時(shí)壘厚增加,導(dǎo)致量子阱能帶傾斜加劇,不利于阱中載流子的隧穿,影響載流子的收集；且壘厚增大,使阱層應(yīng)力積累較大,增加了缺陷的產(chǎn)生,導(dǎo)致載流子的復(fù)合增大,從而對(duì)電池的內(nèi)量子效率和漏電流產(chǎn)生負(fù)面影響．因此,在量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)合理考慮量子阱區(qū)域的壘厚,權(quán)衡壘厚對(duì)電池的有效吸收帶隙、載流子收集和晶體質(zhì)量的影響．

1.2 外界測(cè)試條件對(duì)電池特性的影響

InGaN材料本身具有的光吸收系數(shù)高、抗輻射強(qiáng)、熱性能好等特點(diǎn),使InGaN太陽(yáng)能電池成為高效率聚光器和航天領(lǐng)域應(yīng)用的理想選擇．通過(guò)聚光,可以在特定的器件面積上使更多的太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換成電能,減小太陽(yáng)能發(fā)電成本;同時(shí),太陽(yáng)能電池在聚光條件下可以獲得更高的效率．然而,由于入射到電池內(nèi)的光的一部分會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能以及大電流下器件發(fā)熱,會(huì)使電池的溫度升高,且這種效果隨聚光強(qiáng)度的增大而增大．除了大電流引起的高溫,InGaN太陽(yáng)能電池有時(shí)也會(huì)應(yīng)用在高溫環(huán)境下．量子阱結(jié)構(gòu)的電池與傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池相比,能夠較好地補(bǔ)償由于光強(qiáng)增大導(dǎo)致電池溫度升高引起電池的轉(zhuǎn)換效率和開路電壓下降的不利影響[33],在聚光應(yīng)用方面有較好的前景．而光強(qiáng)和溫度是影響InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)電池效率和聚光方面應(yīng)用的重要因素,光強(qiáng)和溫度對(duì)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)電池性能的影響如圖7所示．

實(shí)線箭頭和虛線箭頭分別表示箭頭兩端所連接框內(nèi)的屬性間相同和相反的變化趨勢(shì).

1.2.1 光 強(qiáng)

2011年Yang等在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了具有藍(lán)光波段帶隙、10個(gè)周期的InGaN/GaN(2.5 nm/14.5 nm)量子阱太陽(yáng)能電池[34],并對(duì)電池的前表面粗化和鍍上SiO2層作為減反射膜和鈍化層,將測(cè)試光強(qiáng)從1倍增加到150倍,研究了量子阱太陽(yáng)電池的聚光特性．在聚光條件下,電池的開路電壓與光強(qiáng)滿足以下關(guān)系：

(1)

其中Voc(1)為1倍光強(qiáng)下電池的開路電壓,Jsc為電池的短路電流密度,J0為電池的反向飽和電流密度,C為聚光倍數(shù),n為理想因子,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度,q為電荷量．

在食品重金屬檢測(cè)儀開機(jī)預(yù)熱20min之后，用銀片對(duì)儀器進(jìn)行初始化。對(duì)大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）100377進(jìn)行12次檢測(cè)以確定儀器準(zhǔn)確性與重復(fù)性。檢測(cè)完成后用試樣杯稱取每個(gè)米粉樣品約10.5g。按照LS/T 6115-2016[5]對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行2次獨(dú)立重復(fù)檢測(cè)，取其均值為檢測(cè)結(jié)果。

電池的轉(zhuǎn)換效率在光強(qiáng)100倍時(shí)達(dá)到峰值,為2.23%,與1倍光強(qiáng)測(cè)試相比,電池的轉(zhuǎn)換效率提高了4.7%,開路電壓增加了9.6%,填充因子下降了5.4%．隨著光強(qiáng)的增大,電池的開路電壓呈對(duì)數(shù)增加,而填充因子略微下降,轉(zhuǎn)換效率先增加后減小,主要是由于在串聯(lián)電阻上的功率損耗因光電流增加而增大．2012年,Zhang等利用MOCVD外延生長(zhǎng)也制備了由8個(gè)周期的InxGa1-xN/GaN(3 nm/15 nm)量子阱組成的藍(lán)光波段帶隙太陽(yáng)能電池[35],并將測(cè)試光強(qiáng)從1倍增加到465倍，研究了電池的聚光特性．結(jié)果表明電池的開路電壓在光強(qiáng)為333倍時(shí)達(dá)到了峰值,為2.45 V,與1倍光強(qiáng)相比,開路電壓提高了19%,電池的轉(zhuǎn)換效率提高了20%．電池的短路電流密度隨光強(qiáng)增大呈線性增加,開路電壓隨光強(qiáng)增大呈對(duì)數(shù)增加,達(dá)到峰值后下降,填充因子在光強(qiáng)增加到100倍之后開始增加,可能由于隨著光強(qiáng)增大導(dǎo)致電池?zé)嵝?yīng)提高了材料的導(dǎo)電性．

總之,隨著光強(qiáng)的增加,電池的光生載流子增多,提高了電池的短路電流;而開路電壓在一定范圍內(nèi),隨測(cè)試光強(qiáng)的增加呈對(duì)數(shù)增大,但當(dāng)光強(qiáng)增加到一定程度時(shí),電池的溫度升高,使本征載流子密度增加,電池的反向飽和電流增大,導(dǎo)致開路電壓隨光強(qiáng)增大而減小;同時(shí)電池電流的增加引起串聯(lián)電阻的熱效應(yīng)使電池產(chǎn)生功率損耗,降低了電池的性能．因此,為提高InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池在聚光方面的應(yīng)用,應(yīng)通過(guò)如電池前表面粗化、鍍減反射膜、設(shè)計(jì)垂直結(jié)構(gòu)等增加對(duì)入射光吸收,同時(shí)要降低由于p型歐姆接觸、鍵合層、襯底等引起的串聯(lián)電阻增加導(dǎo)致的功率損耗的影響．

1.2.2 溫 度

2009年,Jeng等制備了In組分分別為0.28和0.2、由5個(gè)周期的InGaN/GaN(3 nm/7 nm)量子阱組成的太陽(yáng)能電池[36],并研究了溫度對(duì)兩種量子阱結(jié)構(gòu)電池性能的影響．隨著電池溫度的升高,兩種電池的短路電流密度增長(zhǎng)緩慢而開路電壓迅速下降,而In0.2Ga0.8N/GaN量子阱電池的短路電流隨溫度的變化較明顯．主要是由于溫度升高使低能勢(shì)壘的光生載流子較易從阱中逸出,提升了電池的短路電流;同時(shí)溫度升高也增加了載流子的復(fù)合概率,電池的反向飽和電流增大,使電池的開路電壓下降．隨著溫度從室溫增加到100 ℃,電池的轉(zhuǎn)換效率增加；當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí),電池的轉(zhuǎn)換效率下降.這主要是由于電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的影響．2011年,Asgara等通過(guò)理論模擬對(duì)比了p-i-n型異質(zhì)結(jié)和量子阱兩種結(jié)構(gòu)的InGaN太陽(yáng)能電池的特性,并研究了溫度對(duì)兩種結(jié)構(gòu)電池性能的影響[37]．p-i-n型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的InGaN電池的本征層由In0.3Ga0.7N構(gòu)成,而InGaN量子阱結(jié)構(gòu)的光吸收層是由25個(gè)周期的In0.63Ga0.37N/In0.1Ga0.9N (1 nm/5 nm)量子阱組成．隨著溫度的升高,兩種結(jié)構(gòu)的電池的轉(zhuǎn)換效率下降,主要是由于溫度升高導(dǎo)致的帶隙收縮引起的短路電流增加的程度小于溫度升高使載流子復(fù)合損耗增大、開路電壓下降的程度．同年,Neufeld等制備了30個(gè)周期的In0.28Ga0.72N/GaN(2.2 nm/8 nm)量子阱太陽(yáng)能電池[38],并將測(cè)試溫度從22 ℃增加到115 ℃,研究溫度對(duì)電池性能的影響．在AM1.5太陽(yáng)光譜的1倍光強(qiáng)的室溫(22 ℃)測(cè)試條件下,電池的短路電流密度、開路電壓、填充因子和峰值功率密度分別為2 mA/cm2、2.04 V、63%和2.63 mW/cm2．隨著溫度的升高,電池的短路電流密度增大,開路電壓線性下降,峰值功率密度向低電壓方向移動(dòng),外量子效率響應(yīng)光譜紅移．主要是由于溫度升高使InGaN材料帶隙收縮,增加了電池對(duì)低能光子的吸收．電池的峰值功率密度隨著測(cè)試溫度增加到70 ℃時(shí),達(dá)到2.72 mW/cm2,而隨著測(cè)試溫度繼續(xù)增大,峰值功率密度達(dá)到飽和,在溫度為115 ℃時(shí),峰值功率密度緩慢下降

表1 表面納米結(jié)構(gòu)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的性能特性

隨著溫度的升高,InGaN材料的帶隙收縮,增加了電池對(duì)低能光子的吸收;同時(shí)溫度升高也促進(jìn)了載流子的熱發(fā)射,使載流子較易從阱中逸出,提高了電池的短路電流密度;但溫度升高也使載流子復(fù)合增大導(dǎo)致電池的反向飽和電流增加,開路電壓下降;另外,隨著溫度的升高材料導(dǎo)電性增強(qiáng),電池的串聯(lián)電阻減小,提高了電池的填充因子．因此電池的性能隨溫度的變化受電池的開路電壓、短路電流和填充因子隨溫度變化的綜合影響．

2 提高InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵工藝

近年來(lái),許多研究者通過(guò)電池的制備工藝,來(lái)改善InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率．他們從減少電池表面的光反射損失和提高電池對(duì)光的二次利用出發(fā),來(lái)提高電池的性能,主要通過(guò)在電池前表面制備減反射結(jié)構(gòu)(包括納米結(jié)構(gòu)陣列、減反射介質(zhì)膜及對(duì)電池表面粗化)、在電池底面沉積反射鏡、采用垂直結(jié)構(gòu)的量子阱電池等．

2.1 前表面制備減反射結(jié)構(gòu)

2.1.1 納米結(jié)構(gòu)陣列

2.1.2 減反射介質(zhì)膜

一些研究者也通過(guò)在電池表面鍍減反射介質(zhì)膜來(lái)較大程度增加對(duì)電池的光吸收．可以通過(guò)對(duì)介質(zhì)膜的材料、厚度、周期等進(jìn)行優(yōu)化,使減反射介質(zhì)膜的反射譜在太陽(yáng)能譜能量主要集中的波段的反射率較小,減小電池表面的反射損失;同時(shí)減反射介質(zhì)膜可以作為鈍化層,降低電池表面的復(fù)合,減小電池的漏電流[44]．2014年,Young等在由30個(gè)周期的In0.2Ga0.8N/GaN(3 nm/4 nm)的量子阱構(gòu)成的太陽(yáng)能電池表面制備了由6個(gè)周期的Ta2O5/SiO2雙層介質(zhì)膜組成的寬帶減反射介質(zhì)膜[20],寬帶減反射介質(zhì)膜在AM0太陽(yáng)光譜輻射的能量集中的波段365～1 771 nm之間的平均反射率達(dá)到2.4%,同時(shí)在電池底面鍍上由14個(gè)周期的Ta2O5/SiO2雙層介質(zhì)膜組成二向分色鏡,使電池的轉(zhuǎn)換效率提高了37.5%,達(dá)到3.33%．

2.1.3 表面粗化

表2 具有反射鏡結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)電池特性

2.2 底面制備反射鏡

通過(guò)在電池的底層沉積較高反射率層作為反射鏡來(lái)提高電池的光生電流,能夠?qū)⑽幢浑姵匚諏油耆盏墓馔ㄟ^(guò)底面反射鏡反射回本征吸收層,對(duì)光進(jìn)行二次利用,提高光吸收的有效長(zhǎng)度,增加電池的光吸收．沉積的高反射率層主要包括金屬層和介質(zhì)膜分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)．表2列出了不同研究者制備具有反射鏡結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)電池特性．

2.2.1 金屬反射鏡

金屬反射鏡制備工藝簡(jiǎn)單,它在可見光波段及更長(zhǎng)波段的反射率較高,既可以作為反射鏡也可以作為歐姆接觸層．2009年,Tsai等利用激光剝離技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底并沉積金屬銀層作為反射鏡制備了無(wú)襯底的8個(gè)周期的In0.23Ga0.77N/GaN(3 nm/20 nm)量子阱太陽(yáng)能電池[45]．電池的短路電流密度獲得了提高,轉(zhuǎn)換效率是普通結(jié)構(gòu)InGaN/GaN量子阱電池的1.6倍,電池的光譜響應(yīng)在波長(zhǎng)510 nm以下獲得了較大的提高．2012年,Jeng等制備了In組分別為0.20和0.28的InGaN/GaN量子阱電池,并在底面沉積金屬鋁層的倒裝結(jié)構(gòu)的量子阱電池[46]．底面沉積金屬鋁層的In0.2Ga0.8N/GaN量子阱電池的轉(zhuǎn)化效率提高了9.8%．

2.2.2 DBR

在電池底層沉積介質(zhì)膜DBR也可以用來(lái)提高電池的光吸收．DBR是由不同折射率的兩種材料以1/4波長(zhǎng)交替疊加而成,通過(guò)適當(dāng)選擇高低折射率介質(zhì)膜材料和兩種材料交疊的周期數(shù)來(lái)控制DBR反射鏡的反射帶寬和反射率的高低,使DBR反射譜能夠在InGaN量子阱吸收層的光吸收波段有較高的反射率,將本征量子阱吸收層中未完全吸收的光反射回光吸收層．反射譜的截止帶和中心反射波長(zhǎng)靈活可調(diào),具有較高的反射率,且介質(zhì)膜的吸收損耗較金屬反射鏡小．2013年,Tsai等在由14個(gè)周期的In0.15Ga0.85N/GaN(3 nm/5 nm)量子阱組成的太陽(yáng)能電池的前表面制備膠狀硫化鎘量子點(diǎn),并在藍(lán)寶石襯底面沉積11個(gè)周期的HfO2/SiO2DBR[47],使電池在波長(zhǎng)380～440 nm波段的外量子效率獲得了較大提高,添加DBR后的電池的短路電流密度比普通結(jié)構(gòu)的電池提高了16.5%．2014年,Chang等利用周期性通孔刻蝕技術(shù)和底面沉積DBR設(shè)計(jì)制備了背向照射的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池[48],電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示,電池的本征吸收層是由10個(gè)周期的In0.17Ga0.83N/GaN(3.5 nm/6.5 nm)量子阱組成,DBR由4個(gè)周期的SiO2/TiO2組成,光從藍(lán)寶襯底面入射．在AM1.5太陽(yáng)光譜的測(cè)試條件下,與傳統(tǒng)側(cè)向結(jié)構(gòu)前向照射的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的特性對(duì)比,電池的開路電壓從1.88 V增加到1.94 V,短路電流密度從0.84 mA/cm2增加到1.02 mA/cm2,填充因子達(dá)到了85.5%,轉(zhuǎn)化效率也從0.66%增加到1.69%,相對(duì)提高了156%．

表3 垂直結(jié)構(gòu)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的性能特性

圖8 周期性通孔刻蝕技術(shù)和底面沉積布拉格反射鏡的背向照射的InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖[48]

2.3 垂直結(jié)構(gòu)

利用激光剝離和鍵合技術(shù)在電池底面沉積具有高反射率的反射鏡和對(duì)電池的前表面織化的垂直結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，能夠緩解高質(zhì)量高In組分的InGaN吸收層與吸收層厚度較薄影響電池吸收效果的矛盾．它通過(guò)晶片鍵合方法將鍍有反射鏡層的外延薄膜鍵合在導(dǎo)熱性較好的襯底材料上,使反射鏡層介于轉(zhuǎn)移襯底與外延層之間,并通過(guò)激光剝離技術(shù)剝離掉藍(lán)寶石襯底,露出易于粗化的n-GaN層作為電池的前表面,電池的結(jié)構(gòu)如圖9所示．電池表面粗化和底面的反射鏡減小了電池對(duì)入射光的反射損失和透射損失,增加了電池的光吸收;同時(shí)垂直結(jié)構(gòu)的電池設(shè)計(jì)中,電極位于電池兩側(cè),減小了電極的遮擋對(duì)電池光吸收的影響,且電流為垂直行徑流通,也避免了傳統(tǒng)側(cè)向結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的電流簇?fù)硇?yīng)對(duì)器件的影響．另外,將電池轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱性較好的襯底材料上,能夠避免襯底的散熱問(wèn)題導(dǎo)致的器件性能降低,使量子阱電池較好地應(yīng)用在聚光方面．2014年,Sheu等利用激光剝離和金屬鍵合技術(shù)將在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的由12個(gè)周期的In0.28Ga0.72N/GaN(2.5 nm/14.5 nm)量子阱組成的太陽(yáng)能電池鍵合在導(dǎo)熱性較好的硅襯底上,設(shè)計(jì)了具有金屬反射鏡和表面粗化的垂直結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN量子阱電池[49],在AM1.5太陽(yáng)光譜的300倍光強(qiáng)測(cè)試條件下,電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了2.93%．表3列出了一些垂直結(jié)構(gòu)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的性能特性．

圖9 垂直InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖

3 總結(jié)與展望

綜上述,InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)比InGaN同質(zhì)結(jié)p-i-n型結(jié)構(gòu)以及InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)允許更高In組分材料,通過(guò)對(duì)InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的量子阱區(qū)域結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和對(duì)其關(guān)鍵的制備工藝進(jìn)行改進(jìn)能夠有效地?cái)U(kuò)展吸收帶邊,提高電池的性能,目前報(bào)道的InGaN/GaN量子阱電池的光譜響應(yīng)波段擴(kuò)展到了520 nm[17]．但是在長(zhǎng)波段的量子效率普遍偏低,電池的光轉(zhuǎn)換效率仍然處在一個(gè)較低的水平,距離應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)．為了提高光譜響應(yīng)的范圍和電池的轉(zhuǎn)換效率,要求進(jìn)一步提高InGaN層的In組分和電池對(duì)光的利用率,改進(jìn)晶體質(zhì)量,需要克服以下幾方面問(wèn)題:

1) 應(yīng)力效應(yīng)

隨著InGaN合金層的In組分增加,InGaN與GaN間的晶格失配引起的應(yīng)力積累增大,導(dǎo)致InGaN量子阱層產(chǎn)生缺陷,這些缺陷成為非復(fù)合中心,使器件產(chǎn)生漏電流,從而影響電池性能．這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)改變InGaN/GaN量子阱的生長(zhǎng)技術(shù)得到一定抑制．2012年,Hu等通過(guò)在每個(gè)量子阱上低溫生長(zhǎng)GaN蓋帽層,之后以較高的溫度沉積GaN壘層的兩步生長(zhǎng)法[50],提高了InGaN量子阱的質(zhì)量和平均In組分．另外，通過(guò)在InGaN阱層和GaN壘層間引入較薄的低In組分中間層,也能夠減緩InGaN與GaN間的晶格失配引起的應(yīng)力效應(yīng)．2013年,Ren等通過(guò)在20個(gè)周期的In0.2Ga0.8N/GaN(3 nm/8 nm)量子阱電池的InGaN和GaN界面間添加超薄(1nm)的In0.05Ga0.95N中間層[51],使電池的短路電流密度和外量子效率分別提高了65%和59%．

2) 極化效應(yīng)

由于自身的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和材料間的晶格失配,使在藍(lán)寶石襯底[0001]方向上生長(zhǎng)的GaN基材料及其他Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體材料具有Ga極性和N極性,導(dǎo)致材料中產(chǎn)生較強(qiáng)的極化效應(yīng),包括由纖梓礦結(jié)構(gòu)在[0001]方向上的不對(duì)稱性引起的自發(fā)極化和由于不同材料之間的晶格失配使得材料內(nèi)部產(chǎn)生雙軸應(yīng)變,導(dǎo)致陰陽(yáng)離子的排列發(fā)生位移引起的壓電極化.在兩者的作用下,會(huì)在材料界面積累極化電荷．隨著InGaN層中In組分增大或厚度增加,InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)電池受極化效應(yīng)的影響變大,會(huì)在InGaN量子阱層形成較強(qiáng)的極化電場(chǎng),而極化電場(chǎng)方向與pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向相反,引起量子阱有源區(qū)的凈電場(chǎng)減小甚至反轉(zhuǎn),同時(shí)量子阱能帶傾斜并發(fā)生形變,產(chǎn)生附加勢(shì)壘,因此不利于光生載流子輸運(yùn)和有效收集,對(duì)太陽(yáng)能電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響．因此,制備高性能的InGaN太陽(yáng)能電池,必須全面考慮極化效應(yīng)對(duì)器件性能的作用．可以通過(guò)在InGaN/GaN量子阱層兩側(cè)添加高摻雜的p型層和n型層[52],或者在非極性襯底上外延生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱電池來(lái)減小極化效應(yīng)對(duì)電池的負(fù)面影響[53]．

3) 外延層質(zhì)量

利用光刻技術(shù)和刻蝕技術(shù)制備的圖形化藍(lán)寶石襯底[54]生長(zhǎng)GaN基材料,能夠改變GaN基材料的生長(zhǎng)過(guò)程,抑制缺陷向外延表面延伸,提高了外延層的質(zhì)量,避免缺陷進(jìn)入量子阱吸收層,降低復(fù)合中心引起的光生載流子的損耗．Lee等在圖形化藍(lán)寶石襯底上制備了InGaN/GaN量子阱電池[55],使電池的短路電流密度相比未圖形化藍(lán)寶石襯底提高了60%．同時(shí),通過(guò)改進(jìn)GaN材料的生長(zhǎng)技術(shù),使用線缺陷密度較小的同質(zhì)的GaN體材料作為GaN基材料的外延生長(zhǎng)襯底技術(shù),也是改善外延層質(zhì)量的一個(gè)方向．2013年,Young等同時(shí)在(0001)GaN體材料襯底和藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了由10～50個(gè)周期的In0.2Ga0.8N/GaN(3 nm/4 nm)量子阱組成的較薄壘厚的太陽(yáng)能電池[56],發(fā)現(xiàn)在GaN體材料襯底上制備的電池性能較好,且隨著量子阱周期的增大，器件性能下降程度較藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的電池?。贏M0太陽(yáng)光譜的1.5倍光強(qiáng)測(cè)試條件下,在GaN體材料上制備的30個(gè)周期的量子阱太陽(yáng)能電池的開路電壓達(dá)到2.28 V,短路電流密度為2.1 mA/cm2,填充因子為80%,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.4%．圖形化襯底技術(shù)已經(jīng)在LED的研究和產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,而GaN體材料襯底成本高,因此圖形化襯底技術(shù)將成為InGaN量子阱太陽(yáng)能電池材料制備的主要手段．

4) 提高入射光的利用率

為了獲得高In組分InGaN材料,量子阱結(jié)構(gòu)中InGaN阱層的厚度一般保持在臨界厚度以下[57]．而受到極化效應(yīng)的影響,InGaN/GaN量子阱周期的數(shù)目不能無(wú)限增大,這使得InGaN/GaN量子阱電池總的吸收層厚度較小,未能達(dá)到理想的高效率太陽(yáng)能電池的光吸收所需的最佳厚度．因此,高效InGaN/GaN量子阱電池的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)一步提高電池對(duì)光的利用率．通過(guò)在電池前面制備減反射結(jié)構(gòu)來(lái)減少電池表面的反射損失和通過(guò)在底面沉積反射鏡來(lái)降低電池的透射損失的方法,能夠有效地提高電池對(duì)光的利用率,因此,利用激光剝離技術(shù)和鍵合技術(shù)制備的具有底面反射鏡和表面織化的垂直結(jié)構(gòu)的電池將是其中的一個(gè)發(fā)展方向．

總之,高效InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池的發(fā)展仍需要從突破高In組分、高質(zhì)量外延層的生長(zhǎng)技術(shù)、優(yōu)化外延層材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改善電池的關(guān)鍵制備工藝等方面努力．

[1] Wu J,Walukiewicz W,Yu K M,et al.Superior radiation resistance of In1-xGaxN alloys:full solar spectrum photovoltaic material system[J].Journal of Applied Physics,2003,94(10):6477-6482.

[2] Davydov V Y,Klochikhin A A,Seisyan R P,et al.Absorption and emission of hexagonal InN.Evidence of narrow fundamental band gap[J].Physica Status Solidi:B,2002,229(3):R1-R3.

[3] Marti A,Araújo G.Limiting efficiencies for photovoltaic energy conversion in multigap systems[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,1996,43(2):203-222.

[4] Jani O,Honsberg C,Asghar A,et al.Characterization and analysis of InGaN photovoltaic devices[C]//Proc 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference.Vista,FL:IEEE,2005:37-42.

[5] Jani O,Ferguson I,Honsberg C,et al.Design and characterization of GaN/InGaN solar cells[J].Applied Physics Letters,2007,91(13):132117.

[6] Singh R,Doppalapudi D,Moustakas T D,et al.Phase separation in InGaN thick films and formation of InGaN/GaN double heterostructures in the entire alloy composition[J].Applied Physics Letters,1997，70(9):1089-1091.

[7] Neufeld C J,Toledo N G,Cruz S C,et al.High quantum efficiency InGaN/GaN solar cells with 2.95 eV band gap[J].Applied Physics Letters,2008,93(14):143502.

[8] Zheng X,Horng R H,Wuu D S,et al.High-quality InGaN/GaN heterojunctions and their photovoltaic effects[J].Applied Physics Letters,2008,93(26):261108.

[9] Yang C B,Wang X L,Xiao H L,et al.Photovoltaic effects in InGaN structures with p-n junctions[J].Physica Status Solidi：A,2007,204(12):4288-4291.

[10] Chen X,Matthews K,Hao D,et al.Growth,fabrication,and characterization of InGaN solar cells[J].Physica Status Solidi:A,2008,205(5):1103-1105.

[11] Cai X M,Wang Y,Chen B H,et al.Investigation of InGaN p-i-n homojunction and heterojunction solar cells[J].IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(1):59-62.

[12] Tabata A,Teles L K,et al.Phase separation suppression in InGaN epitaxial layers due to biaxial strain[J].Applied Physics Letters,2002,80(5):769.

[13] Barnham K W J,Duggan G.A new approach to high-efficiency multi-band-gap solar cells[J].Journal of Applied Physics,1990,67(7):3490-3493.

[14] Dahal R,Pantha B,Li J,et al.InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with long operating wavelengths[J].Applied Physics Letter,2009,94(6):06350.

[15] Dahal R,Li J,Aryal K,et al.InGaN/GaN multiple quantum well concentrator solar cells[J].Applied Physics Letters,2010,97:073115.

[16] Liu B W.Design and fabrication of InxGa1-xN/GaN solar cells with a multiple-quantum-well structure on SiCN/Si(111) substrates[J].Thin Solid Films,2011,520(3):1084-1090.

[17] Farrell R M,Neufeld C J,Cruz S C,et al.High quantum efficiency InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with spectral response extending out to 520 nm[J].Applied Physics Letters,2011,98(20):201107.

[18] Bae S Y,Shim J P,Lee D S,et al.Improved photovoltaic effects of a vertical-type InGaN/GaN multiple quantum well solar cell[J].Japanese Journal of Applied Physics,2011,50(9R):092301.

[19] Lin G J,Lai K Y,Lin C A,et al.Solar energy harvesting scheme using syringe like ZnO nanorod arrays for InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Optics Letters,2012,37(1):61-63.

[20] Young N G,Perl E E,Farrell R M,et al.High-performance broadband optical coatings on InGaN/GaN solar cells for multijunction device integration[J].Applied Physics Letters,2014,104(6):163902.

[21] Deng Q W,Wang X L,Xiao H L,et al.An investigation on InxGa1-xN/GaN multiple quantum wells solar cells[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2011,44(26):265103.

[22] Choi S B,Shim J P,Kim D M,et al.Effect of indium composition on carrier escape in InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Applied Physics Letters,2013,103(3):033901.

[23] Kim S H,Shim J P,Park H H,et al.Investigation of properties of InGaN-based vertical-type solar cells with emission wavelengths in ultraviolet-blue-green regions[J].Journal of Photonics for Energy,2014,4(16):043096.

[24] Zhao B J,Chen X,Ren Z W,et al.Enhanced performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with double indium content[J].Chinese Physics B,2013,22(8):088401.

[25] Sirona V F,Anna M,Qing P,et al.Photovoltaic response of InGaN/GaN multiple-quantum well solar cells[J].Japanese Journal of Applied Physics,2013,52:08JH05.

[26] Yang J,Zhao D G,Jiang D S,et al.Effects of quantum well number on spectral response of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Physics Status Solidi:A,2014,211(9):2157-2160.

[27] Redaelli L,Mukhtarova A,Valdueza-Felip S,et al.Effect of the quantum well thickness on the performance of InGaN photovoltaic cells[J].Applied Physics Letters,2014,105(13):131105.

[28] Chen X,Zhao B J,Ren Z W,et al.Advantages of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with stepped-thickness quantum wells[J].Chinese Physics B,2013,22(8):078402.

[29] Wierer J J,Koleske D D,Lee S R.Influence of barrier thickness on the performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Applied Physics Letters,2012,100(11):111119.

[30] Watanabe N,Yokoyama H,Shigekawa N,et al.Barrier thickness dependence of photovoltaic characteristics of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Japanese Journal of Applied Physics,2012,51(10):10ND10.

[31] Lang J R,Young N G,Farrell R M,et al.Carrier escape mechanism dependence on barrier thickness and temperature in InGaN quantum well solar cells[J].Applied Physics Letter,2012,101(18):181105.

[32] Yang J,Zhao D G,Jiang D S,et al.Effects of polarization and p-type GaN resistivity on the spectral response of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells[J].Chinese Physics B,2014,23(6):068801.

[33] Ohtsuka H,Kitatani T,Yazawa Y,et al.Numerical prediction of InGaAs/GaAs MQW solar cell characteristics under concentrated sunlight[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,1998,50(1):251-257.

[34] Yang C C,Jang C H,Sheu J K,et al.Characteristics of InGaN-based concentrator solar cells operating under 150X solar concentration[J].Optics Express,2011,19(S4):A695-A700.

[35] Zhang D Y,Zheng X H,Li X F,et al.High concentration InGaN/GaN multi-quantum well solar cells with a peak open-circuit voltage of 2.45 V[J].Chinese Physics Letter,2012,29(6):068801.

[36] Jeng M J,Lee Y L,Chang L B.Temperature dependences of InxGa1-xN multiple quantum well solar cells[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(10):105101.

[37] Asgari A,Khalili K.Temperature dependence of InGaN/GaN multiple quantum well based high efficiency solar cell[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95(11):3124-3129.

[38] Neufeld C J,Cruz S C,Farrell R M,et al.Observation of positive thermal power coefficient in InGaN/GaN quantum well solar cells[J].Applied Physics Letters,2011,99(7):071104.

[39] Imogen M P,Daniel D K,Arthur J F,et al.Plasmonic nanoparticle enhanced photocurrent in GaN/InGaN/GaN quantum well solar cells[J].Applied Physics Letters,2010,96(15):153501.

[40] Lin G J,Lai K Y,Lin C A,et al.Efficiency enhancement of InGaN-based multiple quantum well solar cells employing antireflective ZnO nanorod arrays[J].IEEE Electron Device Letters,2011,32(8):1104-1106.

[41] Fu P H,Lin G J,Ho C H,et al.Efficiency enhancement of InGaN multi-quantum-well solar cells via light-harvesting SiO2nano-honeycombs[J].Applied Physics Letters,2012,100(1):013105.

[42] Ho C H,Lin G J,Fu P H,et al.An efficient light-harvesting scheme using SiO2nanorods for InGaN multiple quantum well solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,103(3):194-198.

[43] Bai J,Yang C C,Athanasiou M,et al.Efficiency enhancement of InGaN/GaN solar cells with nanostructures[J].Applied Physics Letters,2014,104(5):051129.

[44] Lee H C,Su Y K,Chuang W K,et al.Discussion on electrical characteristics of i-In0.13Ga0.87N p-i-n photovoltaics by using a single/multi-anti reflection layer[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2010,94(7):1259-1262.

[45] Tsai C L,Liu G S,Wang C Y,Huang J P,et al.The improved photoresponse of the substrate-free InGaN solar cells with a bottom reflector[C]//Proc 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.Philadelphia,PA:IEEE,2009:002051-002054.

[46] Jeng M J,Lee Y L.Increasing solar efficiency of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with a reflective aluminum layer[J].Journal of the Electrochemical Society,2012,159(5):H525-H528.

[47] Tsai Y L,Lin C C,Han H V,et al.Improving efficiency of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells using CdS quantum dots and distributed Bragg reflectors[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2013,117(4):531-536.

[48] Chang Y A,Chen F M,Tsai Y L,et al.Fabrication and characterization of back-side illuminated InGaN/GaN solar cells with periodic via-holes etching and Bragg mirror processes[J].Optics Express,2014,22(S5):A1334-A1342.

[49] Sheu J K,Chen F B,Wu S H,et al.Vertical InGaN-based green-band solar cells operating under high solar concentration up to 300 suns[J].Optics Express,2014,22(S5):A1222-A1228.

[50] Hu Y L,Farrell R M,Neufeld C J,et al.Effect of quantum well cap layer thickness on the microstructure and performance of InGaN/GaN solar cells[J].Applied Physics Letters,2012,100(16):161101.

[51] Ren Z W,Chao L,Chen X,et al.Enhanced performance of InGaN/GaN based solar cells with an In0.05Ga0.95N ultra-thin inserting layer between GaN barrier and In0.2Ga0.8N well[J].Optics Express,2013,21(6):7118-7124.

[52] Neufeld C J,Cruz S C,Farrell R M,et al.Effect of doping and polarization on carrier collection in InGaN quantum well solar cells[J].Applied Physics Letters,2011,98:243507.

[53] Wierer J J,Fischer A J,Koleske D D.The impact of piezoelectric polarization and nonradiative recombination on the performance of (0001) face GaN/InGaN photovoltaic devices[J].Applied Physics Letters,2010,96:051107.

[54] Liang J,Xiao H L,Wang X L,et al.Enhanced performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with patterned sapphire substrate[J].Journal of Semiconductors,2013,34(12):124004-1-4.

[55] Lee Y J,Lee M H,Cheng C M,et al.Enhanced conversion efficiency of InGaN multiple quantum well solar cells grown on a patterned sapphire substrate[J].Applied Physics Letters,2011,98(24):263504.

[56] Young N G,Farrell R M,Hu Y L.High performance thin quantum barrier InGaN/GaN solar cells on sapphire and bulk (0001) GaN substrates[J].Applied Physics Letters,2013,103(17):173903.

[57] Leyer M,Stellmach J,Meissner C,et al.The critical thickness of InGaN on (0001)GaN[J].Journal of Crystal Growth,2008,310(23):4913-4915.

Research Process of InGaN/GaN Multiple-quantum-well Solar Cells

LAI Meng-hua,ZHANG Bao-ping*

(School of Information Science and Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

InGaN/GaN multiple-quantum-well (MQW) solar cells have recently attracted significant attention as a hopeful candidate for expanding spectral responses and improving efficiencies during past few years.In this paper,the research progress of InGaN/GaN MQW solar cells is reviewed.The effect of quantum-well-region designs and external conditions on the efficiency of InGaN/GaN quantum-well solar cell is discussed.In addition,critical processes of improving efficiencies of InGaN/GaN MQW solar cells are introduced.Finally,difficulties and solutions associated with improving efficiencies of InGaN/GaN MQW solar cells are summarized,offering useful references for achieving high-efficiency InGaN/GaN MQW solar cells.

InGaN/GaN multiple quantum well;solar cells;nitride semiconductors;GaN;InGaN

2015-03-09 錄用日期：2015-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(61404059,61274052)

賴萌華,張保平.InGaN/GaN量子阱太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015,54(5)：652-664.

：Lai Menghua,Zhang Baoping．Research process of InGaN/GaN multiple-quantum-well solar cells[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：652-664．(in Chinese)

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.05.008

新能源材料專題

TM 914.4

A

0438-0479(2015)05-0652-13

* 通信作者：bzhang@xmu.edu.cn.