多節高銦InGaN基量子阱太陽能電池的研究

《多節高銦InGaN基量子阱太陽能電池的研究》是依託西安交通大學，由李虞鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多節高銦InGaN基量子阱太陽能電池的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李虞鋒
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

與傳統太陽能電池相比，直接帶隙材料系統InGaN具有更高的轉化效率極限，開路電壓。其耐高溫，抗輻射的特點使其更適合在極端條件下工作，在國防軍事，航空航天，空間探測等領域有重要意義。然而目前該方向存在的主要問題包括高銦底層電池量子阱質量差；極化效應導致光生載流子收集效率低；連線不同銦組分單節電池的隧穿結電阻太高。目前氮化物太陽能電池的效率還很低，多節電池的材料生長還遠不成熟。本項目採用MOVPE外延材料生長多節InGaN太陽能電池。利用前期在氮化物材料位錯最佳化、高銦材料極化電場控制、電化學刻蝕微納結構和垂直結構大功率晶片的研究基礎，在下面三個大方面進行探索：大數目量子阱耗盡層中結構缺陷的研究和利用；圖案化半極性襯底選擇性外延生長方式實現弱極化高銦量子阱；電化學刻蝕納米多孔結構輔助填埋式p-型材料活化實現低阻抗隧穿結。有望將目前InGaN太陽能電池的轉換效率提高三倍。

結題摘要

電化學刻蝕形成多孔結構後導致樣品內應力有效釋放，使得應力誘導的量子限制斯塔克效應（QCSE）減弱，從而有效禁頻寬度變大，光譜藍移。繼續增大刻蝕電壓，可以觀察到更明顯的 PL強度提升，一方面同樣由於QCSE效應減弱，導致電子-空穴波函式重疊度增加，內量子效率增加；另一方面是由於微孔結構促進了光線多次反射，即提高了器件的光收集效率。紡錘狀Ga2O3由於其在深紫外區域的強烈吸收，在日盲solar cell探測中具有巨大的潛力。NSOM使我們能夠測量納米尺度的EL，它顯示出占主導地位的底部QWs發射，並且與附近相比，大V缺陷附近的衰減要小得多。在輻射複合過程中，發現離p-GaN較遠的量子阱更多，由此產生的均勻載流子分布增強了總光電轉換效率。像質計測量表明，引入大的V型缺陷不會降低晶體質量。改進的V缺陷的實現為提高GaN/InGaN基QWs的大電流效率提供了一條有希望的途徑。我們重點探討了表面電漿增強發光二極體發光的機理、結構和關鍵技術。對具有二維金屬光子晶體的氮化鎵solar cell光電轉換增強機理進行了分析和預測。系統地研究了高In組分solar cell的有源區量子阱（QWs）與表面電漿（SP, Surface Plasmon）的耦合特性。綜上，成功製備出具有表面電漿的高In組分solar cell量子阱，並對其光學特性和電學特性進行分析。納米顆粒的引入，還改善了高In組分solar cell量子阱的熱特性。利用這種方法提高solar cell的光電轉換效率不僅工藝簡單，而且可以大幅度提高工作條件下的光功率。我們已經成功地獲得了基於金字塔陣列的可變形solar cell器件，由於金字塔結構的高機械穩定性，它適合於超柔性器件的製造。我們系統地研究了半球形空腔的形成機理及其對GaN基500nm高In組分solar cell量子阱的影響。掃描電鏡、原子力顯微鏡和XRD顯示，生長在HPSS上的solar cell具有比FSS更好的外延質量。我們採用金屬鍵合和雷射剝離的技術製備垂直結構InGaN/GaN多量子阱太陽能電池。經過金屬鍵合、雷射剝離等過程，晶片結構已經被反轉，p-GaN被置於底部，n-GaN反轉到了上表面。n-GaN表面的粗化和銀反射鏡的引入，提高了電池對光的有效吸收長度。