蔡曉梅,張江勇,呂雪芹,應磊瑩,張保平*

(1.集美大學理學院,福建廈門361021；2.廈門大學信息科學與技術學院，3.廈門大學薩本棟微米納米技術研究院,福建廈門361005)

GaN基半導體光伏電池的制備和特性研究

蔡曉梅1,張江勇2,呂雪芹3,應磊瑩2,張保平2*

(1.集美大學理學院,福建廈門361021；2.廈門大學信息科學與技術學院，3.廈門大學薩本棟微米納米技術研究院,福建廈門361005)

制備了3種低In組分(即原子分數(shù))的InGaN p-i-n同質(zhì)結太陽能電池,均顯示良好的光伏響應特性,并對電池開路電壓隨In組分增大而急劇下降的內(nèi)在機理作了深入分析．而后,改進外延結構采用相同工藝制作InGaN p-i-n異質(zhì)結太陽能電池,并與同質(zhì)結太陽能電池進行了對比分析,提出異質(zhì)結是InGaN電池結構的較好選擇．為了擴展太陽光的吸收范圍,制作了InGaN多量子阱結構電池,指出合理設計器件結構是今后研究的關鍵,為進一步的研究發(fā)展提供了思路．

InGaN;太陽能電池;結構

單晶Si太陽能電池已得到廣泛的應用,其工業(yè)轉(zhuǎn)換效率約為20%(太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為其最大輸出功率與入射到表面的總光功率之比),然而由于材料特性上的限制,晶體Si電池的效率基本已達到極限,進一步提升空間有限,難度也很大．根據(jù)理論計算單晶Si電池的極限效率也只有30%,因此Si材料很難在高效率太陽能電池方面發(fā)展．目前,高效太陽能電池主要為第二代半導體InGaAsP系列材料,且已在航空航天工業(yè)中得到廣泛應用,單結GaAs太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已達到27.6%．為了取得更高的轉(zhuǎn)換效率,必須利用不同帶隙材料制作多結太陽能電池,使其每一結子電池吸收相應的太陽光．當前,效率最高的3結電池有InGaP/GaAs/InGaAs[1],GaInP/GaInAs/Ge[2]和GaInP/GaAs/GaInNAs[3]其轉(zhuǎn)換效率可達到41.6%～44%．根據(jù)理論計算[4],電池結數(shù)目越多,效率越高,需要具有不同帶隙的材料種類將越多,且頂部子電池的帶隙也越大(如5結電池頂部子電池的帶隙為2.68 eV)．為了取得轉(zhuǎn)換效率大于50%的太陽能電池,必須尋求滿足多結電池帶隙要求且具有良好光伏特性的新型材料．

近年來,GaN基半導體InGaN材料以其優(yōu)越的光伏特性,吸引人們探索其在太陽能電池方面的應用．InN 帶隙的重新修正,意味著改變InGaN中In的組分(即原子分數(shù)),便可實現(xiàn)其帶隙在3.4 eV(GaN)到0.65 eV(InN)之間連續(xù)可調(diào),相應的光波長從紫外(365 nm)一直延伸到近紅外(1 900 nm),幾乎涵蓋了整個太陽光譜．相比其他體系材料,InGaN合金更容易滿足多結電池對材料帶隙的要求,這給進一步提高多結電池轉(zhuǎn)換效率帶來新的契機．此外,該材料在整個In組分變化范圍內(nèi)均為直接帶隙,吸收入射光后產(chǎn)生載流子的效率較高,相比于Si、GaP等間接帶隙材料,InGaN吸收入射光后產(chǎn)生載流子的效率更高．除了具有寬大且連續(xù)可調(diào)的直接帶隙,InGaN也具備其他優(yōu)越的光伏特性:1) InGaN具有較高的吸收系數(shù),其帶邊吸收系數(shù)達到105cm-1,這意味著400 nm的InGaN材料就可以吸收98%以上的入射光．相比于上百微米的Si太陽能電池,InGaN電池可以節(jié)省更多的材料,使電池質(zhì)量變得更輕,這對太空應用尤其重要．2) InGaN具有較高的電子遷移率,這使得電池中的光生載流子在材料內(nèi)部復合概率減小,有利于提高電池的短路電流．3) InGaN具有很強的抗輻射能力[5],各項研究表明,經(jīng)過高能粒子轟擊,InGaN的光電特性并沒有明顯的變化,而InGaAsP等體系材料性質(zhì)卻有明顯的退化,這說明InGaN在制作全光譜太陽能電池和高效空間太陽能電池方面極具發(fā)展?jié)摿Γ硐肭闆r下,如果將InGaN電池做到很多結,其理論轉(zhuǎn)換效率可以達到Marti等所預算的最大值85%[6]．從實際操作上看,InGaN材料生長便捷,因為生長只需要3種元素的源,而對于InGaAsP系列材料則需要In、Ga、As和P 4種元素的源,生長源PH3和AsH3都是劇毒氣體,而生長InGaN的NH3源毒性較?。c其他材料制作多結電池相比,采用三元合金InGaN制作多結電池既可以簡化外延材料的沉積過程,也可以使各子電池有更好的匹配參數(shù),克服多項技術難題．

2005年,Jani等首先嘗試制作InGaN太陽能電池,并測量其在紫外及白光輻照下的響應特性[7]．2007年他們報道了具有2.4 V開路電壓、填充因子(fill factor,FF)80%及外量子效率(EQE)40%的異質(zhì)結(heterojunction,HOJ)太陽能電池,但當時的InGaN外延片晶體質(zhì)量不太好,存在相分離[8]．此后,研究者們提高In組分并改善材料質(zhì)量,2008年 Neufeld等制作的In0.12Ga0.88N/GaN太陽能電池的峰值EQE為63%、內(nèi)量子效率高達94%[9],同年Zheng等取得開路電壓2.1 V、FF為81%的In0.1Ga0.9N/GaN電池[10]．在GaN/InGaN HEJ電池研究的同時,研究者們也相繼開展對InGaN同質(zhì)結(heterojunction,HOJ)太陽能電池的研究．2007年Yang等制作了In0.18Ga0.82N p-n HOJ電池[11],但只得到0.43 V開路電壓和57%的FF．2008年Chen等制作了組分為0.2和0.3的InGaN p-i-n HOJ電池[12],但所獲得的器件參數(shù)值并不太理想．此外,制作結構較為簡單的InGaN肖特基勢壘太陽能電池也得到一些研究者的關注[13-14]．除了采用不同外延結構,研究者們也嘗試從器件工藝的角度改善電池的性能,如在器件底面制作反射鏡[15]，在器件表面制作反射膜[16]、表面等離子納米顆粒[17]等來增強器件對入射光的吸收,從而提高電池性能．

與以上研究工作同步,我們首先制作了低In組分的InGaN p-i-n HOJ太陽能電池,得到良好的光伏響應特性,并深入分析了電池開路電壓隨In組分增大而急劇下降的內(nèi)在機理．而后,改善外延結構采用相同工藝制作InGaN p-i-n HEJ太陽能電池,并對2種結構電池性能進行對比分析．考慮到多量子阱(multiple quantum well,MQW)結構可利用雙軸應力保持不同材料共格生長,在此前研究的基礎上,我們嘗試制作MQW結構電池來提高InGaN薄膜中In組分,從而有效調(diào)節(jié)電池的吸收帶隙,拓寬光譜響應范圍,改善載流子的輸運．這些均為今后的進一步研究發(fā)展提供了思路．

1 實驗過程

1.1 外延材料制備

InGaN 電池外延結構設計如圖1所示,采用金屬有機化學氣相沉積在藍寶石襯底(0001)晶面上生長InGaN 太陽能電池外延片．生長前先在高溫下用H2對襯底熱處理,然后使用兩步生長法,先將溫度降至535 ℃氮化襯底,再以H2作為載氣生長厚度約為25 nm的GaN成核層(LT-GaN),隨后升溫到1 100 ℃,恒溫約7 min使成核層重新結晶,再在1 100 ℃外延生長厚度約為2 μm 的n-GaN緩沖層．n-GaN生長完后,以N2為載氣,降低溫度生長400 nm的InGaN p-i-n HOJ結構,由于p-InGaN和n-InGaN為電中性區(qū)域,光照產(chǎn)生的少子只有擴散進入耗盡區(qū)才可以漂移到另一端,這就限定了p-InGaN和n-InGaN的厚度,最好不應大于少子擴散長度．以GaN作為參考,對于低In組分的n-InGaN厚度不應大于200 nm;為了使p區(qū)與n區(qū)之間產(chǎn)生的內(nèi)建電場可以穿過i-InGaN層,i-InGaN厚度應小于200 nm[8];同時為使耗盡區(qū)吸收更多的入射光,應減小p-InGaN的厚度．綜上考慮,InGaN p-i-n結構電池的各層設計為:200 nm n-InGaN,150 nm i-InGaN,50 nm p-InGaN．最后,在940 ℃下以H2為載氣生長p-GaN窗口層．外延生長中,采用生長源SiH4為n-GaN和n-InGaN層提供摻雜元素Si;采用生長源CP2Mg為p-GaN和p-InGaN層提供摻雜元素Mg．生長完畢后,將樣品置于800 ℃的N2氛圍中退火15 min,以激活p-GaN和p-InGaN中的Mg,使其形成p型材料,HOJ電池外延結構如圖1(a)所示．HEJ p-i-n結構和MQW結構電池外延片生長方法與此相似,HEJ結構保持150 nm i-InGaN厚度不變,70 nm的p-GaN以保證p型層厚度與HOJ結構相同,所設計的HEJ太陽能電池如圖1(b)所示．MQW結構外延片的i層采用10個周期不摻雜的InGaN/GaN(2 nm/18 nm) MQW,其上生長300 nm的p-GaN,電池結構如圖1(c)所示．

圖1 InxGa1-xN p-i-n HOJ(a)、HEJ(b)和MQW(c)太陽能電池示意圖

1.2 太陽電池芯片制作

將外延片清洗除雜,用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)刻蝕至n-GaN,形成臺面和溝道．磁控濺射Ti/Al/Au(20 nm/20 nm/200 nm)作為n電極,在N2氛圍內(nèi)800 ℃退火3 min．采用電子束鍍Ni/Au(5 nm/5 nm)作為半透明電流擴展層(semi-transparent current spreading layer,SCSL)，再置于500 ℃的O2氛圍內(nèi)退火15 min,使其形成良好的歐姆接觸，MQW結構采用230 nm 銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)作為SCSL．最后用磁控濺射鍍Ni/Au(30 nm/80 nm),在N2氛圍內(nèi)800 ℃退火1 min作為p電極,制作的器件尺寸為1 mm×1 mm(MQW結構器件面積為0.148 mm2)．

1.3 測試方法

研究中采用氙燈作為光源,將樣品與Keithley 6514 靜電計表和Keithley 2410源表串聯(lián),測試不同偏壓下電池的響應電流密度(J)，得到J-V特性曲線．測量量子效率時,采用Acton SpetraPro-2500 I 單色儀,用Si 基探測器測量不同波長的光功率,計算得到電池量子效率與波長的關系．測試過程中,由計算機控制調(diào)節(jié)并收集實驗數(shù)據(jù)．本研究部分實驗采用美國Abet技術公司生產(chǎn)的Sun 2000太陽模擬器AM1.5(AM表示大氣質(zhì)量，數(shù)字1.5表示太陽光通過大氣實際距離與大氣垂直厚度的比值，下同)輻照．

2 測試與分析

2.1 HOJ太陽能電池性能分析

生長3種不同In組分的InxGa1-xN p-i-n HOJ太陽能電池外延片,通過X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)ω-2θ掃描曲線求得3個樣品的In組分分別為0.02,0.12和0.15,其相應的禁帶寬度(energy band gap,Eg)分別為3.3(375),3.06(405)和2.95 eV(420 nm)．將3種樣品制作成電池芯片,在相同氙燈光照條件下測試其J-V曲線．由圖2可見,光照下3個樣品的J-V曲線均整體下移并顯示良好的整流特性．隨In組分的增大,FF分別為69%,64%和65%,比其他報道的HOJ電池的數(shù)值要大(Yang等[11]制作的InGaN p-n HOJ電池FF為57%,Chen等[12]報道的InGaN p-i-n HOJ電池FF小于61%),這說明我們的器件具有良好的光電響應特性．這里由于氙燈紫外光較強,使我們電池的短路電流密度(Jsc)相對其他文獻[10]中的數(shù)值要大．Jsc隨In組分的增大而增大,是因為In組分增大,InGaN帶隙減小,器件能吸收更多的入射光．然而,In組分增大,開路電壓(Voc)卻急劇下降,從組分為0.02時的2.24 V降到組分為0.15時的0.96 V．我們知道,材料參數(shù)如少子壽命、擴散長度不變的情況下,電池的Voc與材料Eg接近正比,但從我們的結果來看,Voc隨In組分增加而下降的程度遠大于Eg下降的程度,例如In組分由0.02增加到0.12,Voc下降了0.9 V,而Eg只減少0.24 eV,因此Eg降低不是電池Voc急劇下降的主要原因．同時,Jani等[8]提到InGaN相分離是導致Voc降低的原因,但從我們測試的XRD掃描曲線上,沒有觀察到明顯的相分離．因此,可能是其他原因?qū)е耉oc隨In組分急劇下降．

圖2 InxGa1-xN p-i-n HOJ太陽能電池在氙燈光照下的電流密度-電壓(J-V)曲線

為了分析內(nèi)在原因,對樣品作進一步測試．圖3為3個InxGa1-xN p-i-n HOJ外延片表面原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)圖片,測試區(qū)域面積是10 μm×10 μm．In組分x=0.02的樣品表面存在一些大于100 nm的突起,尺寸約幾百甚至上千納米,估計是表面附著的雜質(zhì),并沒有觀察到V形缺陷(V-shaped defects),隨著In組分的增加,樣品表面的V形缺陷密度增大．圖3(b)為In組分0.12樣品的AFM縱截面(斷面)分析圖,從中可清楚地看到V形缺陷的縱截面形狀,其深度可達120 nm,遠大于p-GaN的厚度(樣品p-GaN表面層只有20 nm)．因此,V形缺陷是從InGaN層就開始形成,并向上延伸到表面．InGaN中的V形缺陷通常與下方的螺位錯連接在一起,會對器件性能產(chǎn)生負面影響．

圖3 InxGa1-xN HOJ外延片表面AFM圖(a)和In0.12Ga0.88N樣品縱截面分析圖(b)

為進一步探究內(nèi)在原因,我們測試了3種組分的HOJ太陽能電池在無光照條件下的反向偏壓電流曲線(圖4)．通常認為反向漏電流是源于位錯相關的缺陷能級,通過測定該參數(shù)可以確定復合中心的存在及對器件性能的影響[18]．從圖4可以看到，3個器件的反向電流均隨反向偏壓的增大而增大,組分大的器件反向漏電流要比組分小的器件約高兩個數(shù)量級．該結果說明較大組分的材料含有更多的復合中心,它反映了晶體質(zhì)量隨In組分增大而下降．從3個樣品的(0002)面InxGa1-xN搖擺曲線(如圖4左下角插圖所示)也可進一步看出,隨著In組分的增加,半高寬逐漸增大,分別為332,411和463,說明隨In組分的增加晶體質(zhì)量有下降的趨勢．造成晶體質(zhì)量下降的主要原因是晶格失配,包括GaN-藍寶石以及GaN-InGaN之間的晶格失配,使得界面產(chǎn)生大量的缺陷,且薄膜中應力弛豫也引起缺陷．這些缺陷最終都會影響InGaN外延層的質(zhì)量．

圖4 InxGa1-xN p-i-n HOJ太陽能電池無光照下的反向偏壓電流曲線

為了方便分析,我們忽略電池的串并聯(lián)電阻,開路電壓的表達式為

Voc=Eg/q+nkT/qln(Jsc)-nkT/qln(J00),

(1)

2.2 HEJ與HOJ電池性能對比分析

HOJ電池顯示了良好的光伏效應,但也存在組分增大后材料質(zhì)量嚴重退化的問題．為了盡量提高載流子利用率,我們?nèi)圆捎胮-i-n結構．考慮到InGaN材料質(zhì)量的問題和p-InGaN摻雜的困難,采用p-GaN和n-GaN分別取代p-InGaN和n-InGaN,并保持150 nm i-InGaN厚度不變;另外,為了提供足夠的空間電荷,方便2種結構對比,采用70 nm的p-GaN使p型層厚度與HOJ相同,所設計的InxGa1-xN p-i-n HEJ電池如圖1(b)所示,生長方法和條件與HOJ外延相同．HEJ InxGa1-xN外延片包括2種組分:x=0.135和0.160．為簡化起見,以下用HEJ-H和HEJ-L分別代表HEJ高In組分和低In組分材料(或電池),用HOJ-H和HOJ-L分別代表HOJ高In組分和低In組分材料(或電池)．

圖5為InxGa1-xN p-i-n HEJ和HOJ高低In組分外延片樣品表面形貌AFM照片,掃描范圍為10 μm×10 μm．顯然,HEJ樣品(圖5(a)和(b))比HOJ樣品(圖5(c)和(d))的表面要平整許多,且V型坑的密度和深度都顯著減小,表面均方根粗糙度(RMS)由HOJ樣品的幾十納米(17.14和25.24 nm)下降到HEJ樣品的幾納米(0.94和1.853 nm),最大高低差也由HOJ-L的203.4 nm(HOJ-H:230.6 nm)降低到HEJ-L的29.4 nm(HEJ-H:81 nm)．這些V型缺陷是由InGaN層就開始形成,并向上延伸至p-GaN表面.Ⅲ族氮化物V型缺陷通常是由外延應力釋放和原子表面遷移率降低所導致[20],p-InGaN和n-InGaN增加了外延膜總厚度和應力蓄積釋放,最終導致HOJ外延膜表面出現(xiàn)大量V型缺陷．HEJ-L外延層基本處于應變狀態(tài),因此其表面較為平坦,觀測不到V型坑,如圖5(a)．

(a)HEJ-L；(b)HEJ-H;(c)HOJ-L；(d)HOJ-H.

圖6為p-i-n HOJ和HEJ太陽能電池在AM1.5光照下的J-V曲線,相應的特性參數(shù)列于表1．所有電池都表現(xiàn)了良好的光電響應特性,FF均超過60%.HEJ-L電池顯示較好的結果,Voc、Jsc、FF和η分別為1.38 V、0.621 mA/cm2、72%和0.62%,該結果與其他類似結構電池的報道數(shù)值相近或稍大[10，21]．顯然,與InGaN HOJ電池相比,HEJ電池具有更好的性能,HEJ-H電池的η約是HOJ-H電池的2.3倍．可見,HOJ電池的n-InGaN和p-InGaN不僅沒有增加電池的光生載流子,反而對電池產(chǎn)生不利影響,它增加了外延層的應變弛豫,構成更多非輻射復合中心,同時也造成p型摻雜十分困難,可能削弱HOJ電池的內(nèi)建電場,導致HOJ電池各項參數(shù)均降低．

圖6 InxGa1-xN p-i-n HOJ和HEJ太陽能電池J-V曲線

表1 HOJ和HEJ太陽能電池主要特性參數(shù)

圖7 InxGa1-xN p-i-n HOJ和HEJ太陽能電池EQE曲線

圖7為HOJ和HEJ太陽能電池的EQE曲線,由圖可見,HEJ-H、HEJ-L和HOJ-L的EQE分別在421，411和402 nm迅速降低至0,相應于各自的InxGa1-xN吸收帶邊．由于Urbach tail的存在,造成HOJ-H電池的吸收帶邊很難確定,Urbach tail正是由晶格缺陷所造成,它進一步反映了HOJ-H晶格質(zhì)量的下降．EQE吸收邊往長波段拓寬,意味著有更多的光子能夠被吸收,此即高In組分電池有更大Jsc的原因．HOJ和HEJ低(高)In組分電池的峰值EQE分別為:30.2%和37.2%(33.0%和38.8%)(表1)．與HEJ電池相比,HOJ高低In組分電池的EQE降低較大,這估計是由HOJ晶格質(zhì)量下降導致載流子收集效率降低所致．值得注意的是HEJ電池長波段EQE有下降的趨勢(如圖7長波段虛線圈所示),這是因HEJ厚度較薄導致低能光子不充分吸收所致．相反,HOJ電池的EQE卻在短波段有下降的趨勢(如圖7短波段虛線圈所示),它反映了外延材料上層收集光生載流子效率較低,我們推測是由該區(qū)域的高密度缺陷和p-InGaN摻雜濃度偏低所引起．

通過以上的研究,考慮到當前InGaN材料質(zhì)量和p型摻雜存在很大的困難,我們認為HEJ是InGaN電池結構的較好選擇:通過采用p-GaN和n-GaN替代p-InGaN和n-InGaN,可能獲得小于臨界層厚度的高質(zhì)量InGaN吸收層;窗口層有利于大部分光子透射進入吸收區(qū);有利于減小表層復合,減少表面薄層電阻;不同帶隙的吸收材料還可調(diào)制光譜響應的范圍．

2.3 MQW結構電池性能分析

如上所示,無論是HOJ還是HEJ InGaN太陽電池,以InGaN作為吸收層的吸收端在425 nm左右．為了提高電池的效率,有必要拓展吸收端到更長波長以便充分利用太陽光譜,為此必須提高In的組分．然而,提高In組分會增大與GaN之間的晶格失配,在材料中引入大量缺陷,造成太陽電池性能下降．在此,我們嘗試在電池中引入MQW結構以增加薄膜中In的含量,通過對勢阱和勢壘能帶結構的調(diào)控來擴展電池吸收光譜．GaN基半導體材料具有高吸收系數(shù),能夠在較短的耗盡區(qū)內(nèi)吸收大部分的光子,我們采用10個周期的InGaN/GaN(2 nm/18 nm) MQW,結構如圖1(c)所示．

圖8為樣品高分辨率XRD(HRXRD)(0002)面三軸晶ω-2θ掃描．其中最強的衍射峰來自GaN厚膜,較弱的衍射峰為MQW的衛(wèi)星峰,清晰完整的衛(wèi)星峰曲線可見樣品的MQW界面清晰,具有完整的周期重復性．通過計算GaN主峰和0級衛(wèi)星峰的間距角,得到InGaN的平均In組分約為0.25．

圖8 MQW結構外延片HRXRD三軸晶(0002)面ω-2θ掃描曲線

圖9 MQW結構外延片的室溫光致發(fā)光譜(a)及透射譜(b)

圖9(a)為MQW結構外延片室溫下的光致發(fā)光譜曲線,激發(fā)光源為325 nm He-Cd激光器,輸出功率為15 mW．由圖可見,樣品有一強發(fā)光峰約位于537 nm處,對應于有源區(qū)量子阱中的輻射復合發(fā)光,其半高寬為32 nm,比一般的藍光樣品半高寬要大,說明高In組分樣品結晶質(zhì)量有所降低，圖9(b)為樣品的透射譜,透射率在500 nm左右明顯下降約20%(80%降到60%),在365 nm急劇下降至0,在365～500 nm范圍形成臺階式的透射譜形,意味著總厚度20 nm的MQW只能吸收部分的入射光．譜線明顯的干涉峰表明樣品表面和GaN/藍寶石界面較為平整．

圖10 MQW結構太陽能電池暗態(tài)和亮態(tài)(AM1.5光照)的J-V曲線和P-V曲線(a)及太陽能電池A和太陽能電池B(加Al反射鏡)的J-V曲線(b)

圖10(a)為In0.25Ga0.75N/GaN MQW結構太陽能電池在暗態(tài)和AM1.5光照下的J-V及功率密度電壓(P-V)特性曲線,主要參數(shù)值如表2所示．由圖可見,光照下曲線向上平移,表明電池具有良好的光電特性．電池的Voc達到1.8 V,比之前的HOJ，HEJ電池都要大,估計是由于阱壘不同帶隙調(diào)制的結果．Jsc為0.355 mA/cm2,數(shù)值較小,這是由于10個周期的阱厚度僅20 nm,對入射光的吸收不充分．前兩個參數(shù)加上偏低的FF(48.54%)導致Pmax并不高,僅為0.310 mW/cm2,但該數(shù)值卻與之前含有400 nm吸收區(qū)的HOJ太陽能電池相當,可見這里高的Voc彌補了另外2項參數(shù)的損失,最終η為0.310%．考慮到InGaN吸收區(qū)過薄,透光嚴重,在其藍寶石襯底底部鍍一層Al膜作為反射鏡,對入射光進行二次吸收．為方便說明,我們將常規(guī)的MQW簡稱電池A,將底部鍍有Al反射鏡的電池簡稱電池B,同樣將該電池置于AM1.5光照下表征其光電特性(如圖10(b)所示),所得參數(shù)見表2．B電池的Jsc為0.383 mA/cm2,比A電池提高7.9%,增幅比預期要小,估計源于較厚的藍寶石襯底對光的散射損耗．FF為50.32%,稍有所提高,但Voc略微降低,最終的η為0.335%．

圖11為電池A的EQE圖譜．峰值EQE為6.4%,位于365 nm,約處于GaN吸收帶邊,小于該波長的EQE迅速降低,意味著較厚的p-GaN窗口層已把高能光子基本吸收,進入耗盡區(qū)被吸收的非常少．圖中可以看到,雖然吸收波長拓展到了530 nm,但是EQE從365 nm開始逐步下降,直至530 nm左右構成一個斜向下的響應譜形,由此看來,長波段的入射光子被InGaN吸收后并不能得到有效的搜集利用．一方面可能是過薄的吸收區(qū)造成響應值偏低,另一方面估計是過厚的GaN壘層或材料結構體系的極化效應束縛了阱層光生載流子的輸運,減小載流子擴散長度,增大復合所導致．由此可見,要提高MQW結構太陽能電池的特性還需合理設計器件結構,包括阱壘層厚度、周期數(shù)、摻雜濃度等．

表2 InGaN/GaN MQW結構太陽能電池的主要特性參數(shù)

圖11 MQW結構太陽能電池的EQE曲線

3 討 論

GaN基材料作為良好的光電材料已被廣泛應用于制作高亮度藍綠光LED．雖然InGaN中具有高密度的缺陷,但研究發(fā)現(xiàn)InGaN基LED對材料中的缺陷不是特別敏感,即便是螺位錯密度高達109～1010cm-2時,LED仍具有較高的發(fā)光效率[22],主要原因可能是量子阱中的高In組分InGaN團簇起到限制電子空穴并促進其發(fā)生輻射復合的作用[23]．與LED不同,太陽能電池是對缺陷比較敏感的器件,光生載流子是在較弱的內(nèi)建電場的作用下漂移到兩端,缺陷的存在增大了載流子發(fā)生復合的概率,降低電池的光生電流、量子效率以及開路電壓,因此制備高質(zhì)量InGaN材料是制作高效率太陽能電池的必要條件．通過對比研究具有相同耗盡區(qū)寬度的InGaN p-i-n HOJ和HEJ電池,發(fā)現(xiàn)電池的性能強烈依賴于InGaN外延材料,而InGaN材料質(zhì)量又與外延結構的設計密切相關．基于當前InGaN材料質(zhì)量和p型摻雜的困難,我們認為MQW是發(fā)展高In組分InGaN電池的較好結構選擇,這在近年的實驗研究中也得到體現(xiàn)[24-25].通過對MQW結構太陽能電池的研究,我們發(fā)現(xiàn)量子阱對光生載流子具有限制作用,長波段的量子效率普遍偏低,合理設計器件結構是將來研究的關鍵．

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Fabrication and Characteristics of GaN-based Solar Cells

CAI Xiao-mei1,ZHANG Jiang-yong2,Lü Xue-qin3,YING Lei-ying2,ZHANG Bao-ping2*

(1.School of Science,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.School of Information Science and Engineering,Xiamen University，3.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Three kinds of InxGa1-xN p-i-n homojunction (HOJ) solar cells (SCs) with comparatively low In contents were fabricated and demonstrated to show excellent photovoltaic-response characteristics.Possible mechanisms for the drastic decrease of open-circuit voltages (Voc) with increasing In contents were discussed.For comparison,heterojunction (HEJ) SCs were also fabricated and investigated.Through comparing HOJ and HEJ SCs,we propose that HEJ structure is a better candidate for InGaN SCs.For the purpose of broadening the response range to the solar spectrum,SCs with InGaN/GaN multiple quantum well (MQW) as the absorption region were fabricated and optimal design of the device structure was found to be of great importance.These results provide useful references for the future research.

InGaN;solar cell;structure

2015-03-09 錄用日期：2015-06-13

國家自然科學基金(61404059,61274052);集美大學科研啟動基金(ZQ2013011)

蔡曉梅,張江勇,呂雪芹，等.GaN基半導體光伏電池的制備和特性研究[J].廈門大學學報:自然科學版，2015,54(5)：665-673.

：Cai Xiaomei,Zhang Jiangyong,Lü Xueqin,et al．Fabrication and characteristics of GaN-based solar cells[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：665-673．(in Chinese)

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.05.009

新能源材料專題

TN 364+2

A

0438-0479(2015)05-0665-09

* 通信作者：bzhang@xmu.edu.cn