《垂直結構InGaN 薄膜太陽能電池研究》是依託廈門大學，由張保平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：垂直結構InGaN 薄膜太陽能電池研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張保平
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
InGaN太陽電池憑藉其頻寬可調且與太陽光譜完美匹配的特點，已成為國際上氮化物材料和新型高效太陽電池領域的研究熱點。然而，隨著In組分和材料厚度的增加，InGaN材料出現相分離和產生大量缺陷，不僅降低了器件的內量子效率，也對光生載流子的傳輸過程產生了重要影響。此外，目前普遍採用的同側電極結構也給電池的載流子輸運、光入射以及尺寸增大帶來了不利影響。為突破傳統InGaN太陽能電池的限制，本項目將對InGaN材料相分離及晶體缺陷產生機制，器件結構對光電轉換效率的影響機理，光生載流子產生及傳輸過程進行深入研究。在此基礎上研製垂直結構InGaN太陽能電池，採用垂直電極結構解決電流傳輸和電極吸光問題，利用電池表面粗化提高器件外量子效率，通過增加底部反射鏡使吸收區的厚度減小，進而緩解InGaN材料的相分離和晶體缺陷產生。本項目將為InGaN太陽能電池性能的提升以及實用化器件的研製提供新的研究思路。
結題摘要
Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物InGaN材料具有連續可調的直接吸收帶隙，理論上可用於製備高效空間太陽能電池和全光譜太陽能電池。具有反射鏡的垂直結構InGaN太陽能電池，能夠增加器件的光吸收效率，緩解電流擁擠效應，有效提高電池性能。本項目從材料特性研究、製備工藝、器件的設計和性能分析等方面對垂直結構InGaN/GaN量子阱太陽能電池進行了研究，所得結果為進一步設計高效率InGaN太陽能電池提供了指針。主要結果包括以下幾個方面： （1）在藍寶石襯底上生長了In組分為36%的InGaN/GaN多量子阱太陽能電池外延片，分析了多量子阱材料的光吸收和載流子傳輸特性，研究了勢磊層厚度的對材料特性的影響，分析了極化效應對InGaN/GaN多量子阱太陽能電池特性的影響。 （2）利用理論模擬手段分析了電池各層的厚度、濃度等對器件光學性能的影響；模擬發現諧振腔結構對材料的光吸收性能和電池的特性有很大的影響，在此基礎上提出了垂直結構諧振腔增強(RCE)型InGaN/GaN多量子阱太陽能電池，並最佳化設計了器件結構。預計RCE太陽電池的效率可以達到3.32%，是傳統同側電極器件的2.13倍。 （3）研究了垂直結構RCE電池製作的關鍵工藝，包括鍵合技術、雷射剝離技術、金屬反射鏡製作、表面粗化技術等。 （4）製備了具有Al反射鏡的垂直結構RCE型In0.17Ga0.83N/GaN量子阱太陽能電池。在一個太陽光的模擬光譜照射條件下，獲得太陽能電池的短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）和轉換效率（η）分別為1.6mA/cm2、1.9V、74.6%和2.3%，外量子效率（EQE）回響譜覆蓋360nm到450nm波段。預計在聚光測量條件下（如300個太陽光譜）能都達到理論預測的超過3%的轉換效率。 （5）為了進一步擴寬電池的光譜回響，製備了垂直結構RCE型 In0.26Ga0.74N/GaN量子阱太陽能電池，同時製備了沒有反射鏡的器件作對比。相比沒有反射鏡的器件，添加Al反射鏡的電池Jsc和η分別提高了48%和56%。電池的EQE回響譜覆蓋了360nm到510nm波段，顯然器件在長波段的外量子效率獲得了提升。但是當In組分增大時材料的質量仍然有所下降，引起器件性能的提升不如預期，有待材料生長技術的進一步發展提高。
