关键字 |
| III-V半导体、太阳能电池、光电。 |
介绍 |
| 太阳能被广泛研究作为一个没完没了的,可靠和安全的能源。特别重要的增加光伏(PV)转换效率观点的基础科学和实际应用。[1]。InGaN合金系统提供了一个独特的机会发展高效多结太阳能电池。单结太阳能电池点Ga1-xN已经把成功发展,x = 0, 0.2和0.3。材料在蓝宝石基板上生长的分子束外延(MBE)。结构由Si-doped InGaN层,固有层和化学计量InGaN层顶部[2]。InxGa1-xN合金拥有隙从近红外(0.7 ev)紫外线(3.4 ev) [3]。这个范围非常接近太阳光谱对应一个使InxGa1-xN合金有前途的候选人为防辐射的多结太阳能电池[4]。 |
| 材料带隙能量如< 1.4 eV种植在砷化镓基板的主要兴趣多结太阳能电池等光电设备[5],1.3μm波长发射激光[6]。三元Ga1-xInxAs是一个有吸引力的材料带隙从1.44 eV砷化镓在减少到0.35 eV。不幸的是,这种材料的晶格常数也变化明显,当我们修改作文。此外,模拟结果基质没有对于大多数Ga1-xInxAs化合物。这封信是第一个报告的成功沉积Ga0.35In0.65 P / Ga0.83In0.17P串联太阳能电池生长砷化镓衬底材料的晶格不匹配。尽管混乱的数量被确定在107年cm-2秩序的;一个优秀的电气设备的性能。量子效率是与晶格匹配Ga0.51In0.49 P /砷化镓串联太阳能电池[7]。GaInP /砷化镓串联细胞目前代表最高的单片太阳能电池效率和空间应用[8]的商业生产。紧张可以成功纳入半导体光伏设备,只要关键的厚度是尊重为每个单独的层对整个结构[9]。 |
| 金属/半导体垂直(SC)和SC / SC B实现光伏太阳能电池有很大的影响。界面的电子结构决定了电子垂直的行为和肖特基势垒高度[10]。在我们的工作中,我们使用/铟镓基化合物准备我们的结构。这些材料我们可以准备不同合金通过添加III-V化合物。三元合金Ga (1 - x) InxP和InxAs (1 - x) P或者四元化合物像InxGa (1 - x) AsyP (1 y)。这种类型的材料的禁带宽度可以改变这意味着光学特性可以改变和改进在一定的光谱波长范围。 |
II.THEORY |
| III-V半导体砷化镓和InP倾向于闪锌矿结晶时(闪锌矿)结构。这种类型的结构是由III-V专门的原子,我们将化学计量的,从第三列元素对应于另一个原子一个原子从列V元素。结果,获得强大的共价化学键之间共享一个电子的原子属于第三组和第四组的元素。这些债券也表现出弱离子特征元素之间的电负性差异造成的第三组和第四组。让晶格参数„aA¢是两个相邻格之间的距离。不同的半导体材料制成的合金,晶格参数变化与不同的二进制线性元素成分按照Vegard法律。三元元素Ga1-xInxP,晶格参数aInGaP是由方程[11]。 |
 |
| 半导体的特点是一个能量差距分离从价带导带。这种差距,称为禁带,对应于一个电子所需要的能量,从价带导带。这种能量可能来自入射光子或电励磁。这种差距能源相当于电子空穴复合后的系统提供的能量。光子的发射和检测现象是基于光子的探测。当材料衬底上生长,如果他们拥有不同的晶格参数,将有一个两晶格参数之间的分歧。这可能是解决取决于两种情况: |
| 1。如果成长电影非常薄,其晶格会扭曲的弹性材料晶格参数的方式将符合substrateA¢s一分之一方向平行于界面。方向垂直于生长界面,晶格会扭曲通过一个伸长或收缩不同,如果薄膜晶格参数较小或大于substrateA¢分别一个年代。在这种情况下,层被完全紧张。 |
| 2。厚外延层,扭曲的materialA¢年代晶格是不足以平衡产生的机械能和压力在薄膜生长。这个分歧是由位错产生的补偿接口在增长。这些混乱将从衬底生长界面层放松紧随其后。 |
| 我们有二手货车和机器人瓦力模型和Krijin形式主义[12]来描述这种病毒亲缘现象的影响。约束的后果在价带和导带可以分为两个部分: |
| ¯·液压组件:这是与应变沿增长轴有关。它引发的重心转移价带和导带。 |
| ¯·剪切组件:它会导致简并能级的提升和增加为轻、重洞K = 0。 |
三世。太阳能电池结构 |
| 我们已经意识到太阳能电池使用n型Ga (1−x) InxP p型砷化镓外延生长。我们随后沉积的氧化锡(SnO2)薄膜取代了金属层和作为窗口层和抗反射涂层由于其有趣的光电特性(差距= 3.6 eV,折射率1.9 - -2.0)。最后一步是硅(Si)的沉积薄层有9大禁带电动汽车(1016Ω电阻率高。厘米),给了她良好的绝缘性能(图1)。 |
| 光照明下,生成的electrons-holes对直接分离的内部电场产生光电流密度jph。两种类型的电场产生;在MIS的耗尽区接触,另一场位于半导体的接触势垒区1和半导体2。雷竞技网页版 |
| 图2显示了带图的SnO2 /二氧化硅/ GaInP /砷化镓太阳能电池在照明和平衡。金属和半导体之间的绝缘层插入导致thermoelectronic电流的减少由于肖特基势垒越高。关于Ga1−xInxP /砷化镓界面,我们注意到,这两个半导体有不同的能量传导带和价带能量。 |
| 的电势差V照明太阳能设备是两个组成部分的总和:Vi,生成的绝缘层和Vs,生产半导体的耗尽区。潜在的差异是V =和+ Vi。电压Vi加重了SnO2之间的障碍和GaInP电子将难以通过热效应B * = Bn + Vi。更高的障碍意味着电子隧道效应是常见的机制通过隔热层。SnO2的电流密度/二氧化硅/ GaInP结构:J = JTH-JTE。Thermoelectronic电流密度是由: |
 |
| 和饱和电流: |
 |
| 在那里, |
| δ:绝缘层的厚度 |
| χe:电子亲和能。 |
 |
| 一个¯害怕½¯害怕½0:从价带的峰值水平测量占领接口级别最高的。一般来说,这种能量等于(如3)[13]。 |
| Eg-st:应变差距[14] |
| Y:表示接口状态的影响在肖特基势垒。 |
| B0:肖特基势垒。 |
| 少数载流子扩散电流是由: |
 |
| 扩散在第一加载电压区域Vbi由= B0-Vn给出 |
| 在Vnrepresents传导带和费米能级之间的电压差。 |
| 产生的电流通过半导体中产生的孔和移动通过隔热层的金属隧道效应是由以下方程: |
 |
 |
 |
| εi:隔热层介电常数。 |
| Ds:界面状态密度 |
| 问:电子电荷。 |
| 一个¯害怕害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯½:Bulkdonordensity。 |
| εs: Dielectricconstant半导体。 |
 |
| ¯一个害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯一½∗:洞理查森常数/ cm2K2 (32) |
| 一个¯害怕害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯½:GaInP半导体洞亲和力 |
| DP:孔扩散常数。 |
| LP:孔扩散长度。 |
| Vbi:扩散volt agein w1 |
四、SnO的电特性2/ SiO2/ GaInP /砷化镓太阳能电池 |
| 太阳能电池的电气特性,提取电流电压(V),照明条件下的曲线和计算最大功率交付的设备及其光转换效率。结构的电流密度方程给出: |
 |
| 的短路电流(¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½)太阳能电池的表达: |
 |
| α:半导体的吸收系数。 |
| 太阳能电池的开路电压Voc的总和两个电压:Voc = Voc1 + Voc2。 |
| Voc1of SnO2 /二氧化硅/ GaInPstructure是由: |
 |
| Voc2 Ga的(1−x)InxP /砷化镓异质结结构是由: |
 |
| 光电流密度交叉管理信息系统设备由以下方程[15]表示: |
 |
| Fλ:太阳光谱AMG1.5,λ1andλ2吸收太阳光谱的波长范围。考虑到光线的多次反射前后表面的太阳能电池,光学电子空穴pairA¢年代一代率是表现在以下几点: |
 |
| Rλspectrumreflectivity表面,第一个从光的衰减指数因子结果的先例层细胞,αi子分别吸收系数和先例层的宽度。指出,在我们的案例中,上层是SnO2和二氧化硅具有吸收系数(αi = 0),αGaAs和LGaAs吸收系数和散装材料砷化镓的宽度,αGaInP和¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½分别吸收系数和晶格层顶部的宽度。 |
诉结果与讨论 |
| 图3显示了乐队能隙的变化对铟的内容。我们注意到,应变与铟浓度增加而减少的差距()减少。在x = 0.48(晶格匹配),浓度差距= 1.73 ev但x¯¾0.48的单轴压缩差距小于1.73 ev与应变¯¾0。相反的,对于x < 0.48,广泛的应变优越to1.73 eV< 0。给一个例子是x = 0.90,应变是= 2.98%应变差距是Eghh-st = 1.46 ev。我们有最大吸收结构在压缩应变的情况下发现其他地方[16]。 |
| 图4显示了hν变异与入射光的吸收能量。吸收和高铟含量增加。在我们有压约束;吸收比晶格匹配的情况下在根特广泛的压力。例如,如果一个= 3.3%的最大吸收αmax = 2.35.105cm-1但减少αmax = 7.76.104 cm - 1为= -2.53%。这是一个晶格matching-related增加Δαmax = 1.44.105 cm - 1。 |
| 在图5中,我们展示的J (V)特征不同浓度。在浓度高时,我们注意到电流密度(Jcc)减少而开路电压(Voc)增加。相反的情况发生在一个广泛的应变情况下(< 0),Jcc最大和挥发性有机化合物是最小的。相反的效果得到了压缩应变(> 0),我们可以看到他填充因数(FF)增加。 |
| 图6显示了与电压变化的结构。最大的权力由太阳能电池增加更高的压缩应变,用一个广泛的降低。例如,在晶格匹配的情况下(= 0),最大力量相当于42.8 mW但是如果我们把压力提高到3.3%的功率达到48.83兆瓦增加ΔPmax = 6.03兆瓦。 |
| 图7描述了效率(¯¨)GaInP /砷化镓结构的演化与应变。清楚地看到,一个¯¨增加当压力增加。太阳能电池效率最大> 0时高厚二氧化硅绝缘层。3.3%的变形和厚度δ= 50¦我们将有26.8%的效率。例如,如果我们考虑一个GaInP /砷化镓结构与50¦厚的隔热层和变形= 1.21%,有一个效率η= 23.17%,提高变形到将提高η= 2.98%到26.6%的是一个相对的改进Δη= 3.43%。如果我们继续变形常数在= 1.21%,让二氧化硅绝缘层厚度变化有10至50¦,效率得到提高Δη= 6.97%。 |
| 图8代表了量子效率(EQE)和波长的变化,我们可以看到,EQE GaInP结构达到92%。吸收的宽度变大,当应变变化。的广泛的应变= -0.025,我们注意到吸收宽度310到520纳米之间的不同。在一个晶格匹配的情况下,宽度大,310到710纳米之间的不同。在相反的情况下,我们有一个压缩应变(= + 0.033),吸收宽度变化从310年到860海里。我们的结构表明能够把更多的光变成当前和获得更高的效率通过修改应变值和二氧化硅绝缘层厚度。 |
六。结论 |
| 在我们的研究中,它已被证明Ga1-xInxP /砷化镓结构应变的影响和二氧化硅绝缘层厚度(δ)太阳能电池光转换效率。我们已经表明,压缩应变影响显著,提高了吸收,量子效率和效率。我们注意到一层厚SiO2insulating改善效率(η)。我们的发现表明,3.3%的压缩应变和SiO 2厚度δ= 5 nm,效率isA¯¾27%而EQE达到92%的光谱范围310 - 860 nm。这些结果显示隔热层厚度的影响和应变参数及其作用,优化多结和量子多井结构。 |
|
数据乍一看 |
|
|
|
引用 |
- s . w .曾庆红,张平,j . WSun j . f . Cai c .陈和j . z,“大量的photo-response InGaN p i n同质结太阳能电池”,Semicond。科学。055009 - 4抛光工艺。24日,2009年。
- x Chen k·d·马修斯d, w . j . Schaff l·f·伊士曼“InGaN增长、制备和表征太阳能电池”,物理状态苏,卷205,问题5,pp.1103 - 1105, 2008。
- w . j . Wu Walukiewicz, k . m . Yu j . w .蒸机三世,e·e·哈勒h . Lu w . j . Schaff“小隙鞠躬In1-xGaxN合金”,Appl.Phys.Lett。80年,第4743 - 4741页,2002年。
- W . j . Wu Walukiewicz, W .山,j . k . m . Yu W。蒸机三世,e·e·哈勒h . Lu, W。j . Schaff w . k . Metzger库尔茨,“Superiorradiationresistance In1-xGaxN合金:Full-solar频谱光伏材料系统”,J.Appl。Phys.94, 6477 - 6482年,2003页。
- r·w·霍夫曼JR .) n。法特米,硕士斯坦,p•詹金斯V.G. Weizer, D.A. Scheiman D.J. Brinker和“高效InGaAs-on-GaAsdevices对于单片多结太阳能电池的应用程序,“在Proc。2 WCPEC,维也纳,奥地利,3604 - 3608年,1998页。
- h·t·田Kurakake、h .苏打水和山崎,“1.3µm应变量子阱激光器在分级InGaAs缓冲GaAssubstrate,”j .电子。板牙。,12 .581卷,1996年。
- f . Dimroth,舒伯特,a . w . Bett“25.5%高效Ga0.35In0.65 P / Ga0.83In0.17P串联太阳能电池种植在砷化镓基板”,IEEEElectron设备信件,21卷,n°。5,209 - 211年,2000页。
- t·高本t . Agui池田e·h·Kurita“高效节能InGaP = In0:01Ga0:99As串联太阳能电池晶格匹配通用电气基质,Sol.Energy板牙。细胞溶胶。66、511、2001。
- n . j . Ekins-Daukes d·b·布什内尔·j·p·康诺利,k . w . j . Barnham m·玛斯J.S.罗伯茨·g·希尔,r . Airey”Strain-balanced quantumwell太阳能电池”,自然史E 14, 132 - 135年,2002页。
- f . Thieblemont”,精选的苏尔les小房Photovoltaiques金属/ Isolant Organique / Semi-Conducteur”,法国Ambassad en IsraelService de合作& d 'Action文化,到13,2008页。
- 赫克托耳严峻Cotal”III-V多结太阳能电池光伏发电集中”。能源与环境科学,174 - 192年,2008页。
- g . Ghione“高速光电半导体器件”,Politecnico Ditorino,意大利,剑桥大学出版社,2009。
- r . z Gueddim,“优化d ?联合国串联Mecanique de小房日出风(AlGaAs /砷化镓)/ (SnO2 /二氧化硅/ Si)”, RevEnerg,第93 - 87页,2002年。
- a . Aissat s .该m . Bensebti J.P. Vilcot,“调查的发射波长GaInNAs /砷化镓砷化镓基板上压quantumwells紧张”,微电子学杂志》39页。63 - 66年,2008年。
- 15。c . n . Liulei“温度依赖III-VCompound串联电池的光谱响应特征”,科学通报,353 - 357年,2009页。
- m·a·施泰纳L。尔等,j . f . Geisz a·g·诺曼·m·j·罗梅罗w . j . Olavarria y,和a . Mascarenhas CuPt highbandgap Ga的订购xin -xP合金放松GaAsP一步成绩”,应用物理杂志》106年,063525 - 5,2009。
|
菜单
