P层厚度对InGaN单结太阳电池的影响

阮兴祥，张富春，张威虎

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

P层厚度对InGaN单结太阳电池的影响

阮兴祥，张富春，张威虎

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

采用基于第一性原理和太阳电池基本方程的wxAMPS软件，在理想情况下，模拟计算了单结In0.65Ga0.35N太阳电池的光电特性。计算结果表明：当p层厚度从130 nm逐渐增加到220 nm时，入射的光子吸收能量减少，从而产生的光生载流子数目减少，进而引起了开路电压、短路电流密度以及电池的转换效率均逐渐减小，但是填充因子却反而逐渐增大，为对单结In0.65Ga0.35N太阳电池的设计提供了理论的参考依据。

In0.65Ga0.35N；单结；太阳电池；p层

近年来，很多研究机构投入大量的人力和财力放在InGaN材料方面上，因为它具有较高的吸收系数、较高的击穿电压、较大的热导率、良好的抗辐射能力和耐酸碱能力以及热稳定特性［1］。其主要应用在短波长光电器件和高温、高压等大功率器件，另外，在太空太阳电池方面也有广泛的应用。InGaN的禁带宽度变化范围为0.7 eV（InN）到3.4 eV（GaN），其对应的吸收光谱的波长大约为从365 nm到1770 nm，所以，通过适当调整In的组分，可以生长出具有能够吸收不同波长的InxGa1－xN太阳电池［2，3］。另外，由于InGaN材料具有压电和极化的特性，对高位错密度并不是太敏感，这有助于克服材料中的缺陷对太阳电池效率所产生的影响［4］。因此，InGaN材料可以在太阳电池方面良好的应用而成为人们研究的热点课题之一。

一些科研小组已经研发出不同结构的InGaN太阳电池，Jani等人［4，5］对低In组分的InGaN量子阱太阳电池进行了分析研究并成功的将其制备出来了。Yang等人［6］对在低In的组分下InGaN单结太阳电池进行了部分的分析，但是并没有在全太阳光谱下对电池的工作特性进行系统的研究。文博等人［7］从理论上计算了InGaN太阳电池在单结、双结和三结太阳电池中的转换效率、最佳带隙宽度以及仿真出太阳电池的I－V特性。周梅等人［8］通过对InGaN太阳能电池的禁带宽度的研究，得出了其对短路电流以及转换效率等产生的影响。林硕等人［9］通过氢有效质量理论对InGaN单结太阳电池pn结的复合和产生进行了计算，但是并没有对太阳电池的厚度进行分析。目前在高In组分方面的InxGa1－xN材料的生长还不是很成熟，因此本文是从理论上根据解连续性方程以及泊松方程来对不同p层厚度的单结In0.65Ga0.35N太阳电池进行模拟计算。

1 理论模型

InGaN单结太阳电池的理论模型如图1所示。

图1 InGaN单结太阳电池结构

InxGa1－xN材料的各项参数（T＝300K）如表1所示［10］。

表1 300 K时InxGa1－xN材料参数

采用wxAMPS模拟软件，利用第一性原理的方法，通过求解一维条件下的三个半导体的基本器件方程（泊松方程、电子空穴连续性方程），来得到器件的光电特性［11］。在忽略材料中的各种缺陷的情况下，采用AM1.5G（1000 mW/cm2，0.35～1.28 um）太阳光谱，设置单结太阳电池的前表面和后表面的反射系数分别为0和1，载流子寿命设为1ns，表面复合速率设为1000 cm·s－1。设p型和n型掺杂浓度均为5×1017cm－3。电池的厚度设为400 nm。

在模拟计算的过程中所用到的方程如下［12］：

理想太阳电池的J－V方程为

式中Jsc—短路电流密度（mA/cm2）。

当电流密度J＝0时，电池处于开路状态，把J＝0带入到（1）式中，得到的电压值即为开路电压Voc。

太阳电池单位面积的最大输出功率Pm为

式中Jm—最大输出功率对应的电流密度（mA/cm2）；Vm—最大输出功率对应的电压（V）。

太阳电池转换效率η为

式中FF—太阳电池的填充因子，

2 计算结果与讨论

根据上面的理论模型进行计算，得到单结太阳电池In0.65Ga0.35N的材料参数如表2所示。

表2 In0.65Ga0.35N单结太阳电池材料参数

由表2中的计算结果，可以模拟出如下图所示的太阳电池的特性。

由于p层厚度对短路电流密度有着重要的影响，同时也是光最先接触电池的部分，是对电池产生决定性的因素。从图2～5中可以看出，随着p层厚度（0.13～0.22 um）的增加，短路电流密度Jsc和开路电压Voc都逐渐减小，电池的转换效率η也随之减小，这些变化趋势与贺小敏［13］在p层厚度对太阳电池的短路电流密度和转换效率中所变化的一致，另外，开路电压与王玮［12］仿真出来的结果相符合，从而证明了本文的结果的正确性。即入射光随着进入电池厚度的增加，更多的光子没有被p层InGaN所吸收，从而被空间电场分离产生的光生载流子的数目减少，导致短路电流变小。而开路电压减小的程度比较小，因为受到了费米能级之差的限制，所以开路电压基本饱和。

图2 短路电流密度随p层厚度的变化

图3 开路电压随p层厚度的变化

图4 电池的填充因子随p层厚度的变化

然而，电池的填充因子FF反而逐渐增大，表明太阳电池的性能越好。这与贺小敏［13］在相应的禁带宽度所计算出来的值相吻合。因此，适当的改变p层的厚度，或者添加插入层等，可以改善单结In-GaN太阳电池的性能。

图5 转换效率随p层厚度的变化

3 结论

本文研究了不同p层厚度的情况下对单结In0.65Ga0.35N太阳电池性能产生的影响。模拟结果表明，当p层厚度在0.13～0.22 um范围内，随着p层厚度的增加，短路电流密度、开路电压和电池转换效率都逐渐减小，但是电池得填充因子却逐渐增大。因此，对p层的厚度研究，可以为In0.65Ga0.35N电池的实验研究和制备提供了一定的指导作用。

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［13］贺小敏.双结InGaN叠层太阳电池结构优化设计［D］.西安：西安理工大学，2012：3.

［责任编辑 贺小林］

Influence of p－layer Thickness on the InGaN Single Junction Solar Cell

RUAN Xing-xiang，ZHANG Fu-chun，ZHANGWei-hu
（School of Physics and Electronic Information，Yanan University，Yanan 716000，China）

Using first－principles and the basic equations of solar cell forwxAMPSsoftware，the photovoltaic properties of In0.65Ga0.35N single－junction solar cell was simulated and caleulated in the ideal condition.The results showed that：when the p－layer thickness gradually increased from 130nm to 220nm，the photon absorption energy reduced，with the number of photo－generated carriers reducing，so the conversion efficiency and open－circuit voltage and the density of short circuit current also gradually decreased.In addition，the fill factor increased.Therefore，it provides a theoretical basis for the design of In0.65Ga0.35N single－junction solar cells.

In0.65Ga0.35N；single－junction；solar cell；player

TM914.4；TP391.9

A

1004－602X（2014）03－0034－04

10.13876/J.cnki.ydnse.2014.03.034

2014-05-25

陕西省教育厅专项科研基金（2013JK0917）；延安市工业攻关项目（2013－KG03）；榆林市产学研项目和延安大学博士科研启动基金（YD2010－01）资助。

阮兴祥（1988—），男，河南新县人，延安大学在读硕士研究生。