p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响及机理

2015-05-05赵德刚

发光学报 2015年5期

关键词：欧姆势垒开路

周梅，赵德刚

(1. 中国农业大学理学院应用物理系，北京 100083; 2. 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083)

p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响及机理

周梅1，赵德刚2*

(1. 中国农业大学理学院应用物理系，北京 100083; 2. 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083)

研究了p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响。模拟计算发现，随着p-InGaN层厚度的增加，InGaN太阳电池效率降低。较差的p-InGaN欧姆接触特性会破坏InGaN太阳电池性能。计算结果还表明，无论欧姆接触特性好坏，随着p-InGaN层厚度的增加，短路电流下降是导致InGaN电池效率降低的主要原因。选择较薄的p-InGaN层有利于提高p-i-n结构InGaN太阳电池的效率。

InGaN；太阳电池； p-i-n结构

1 引言

高效率太阳电池是解决能源问题的一个重要途径，也是当今国际研究的热点之一。目前Si、Ge、GaAs等常规电池材料都不能完全覆盖所有太阳光谱，制约了太阳电池效率的进一步提高。被称为第三代半导体的GaN及其系列材料(包括InN、GaN、AlN及其合金)的出现为太阳电池效率的提高带来了希望，尤其是InGaN材料的禁带宽度变化范围达到了0.7～3.4 eV[1-2]，几乎覆盖了整个太阳光谱，在太阳电池的应用方面具有很大的潜力。国际上已经在InGaN太阳能电池的研究方面开展了一些工作，并且已经研制出太阳能电池的原型器件[3-9]，其转换效率在3%左右。从目前国际研究结果的报道来看，大多数侧重于材料生长和工艺技术的研究，对于理论上的研究比较少。InGaN作为一种新型太阳电池材料，从理论上进行器件的模拟和计算，研究各个参数对电池性能的影响，揭示其物理机理，可以很有效地指导实际的电池制备，提高电池效率。InGaN太阳电池一般采用p-i-n结构，本文主要研究了p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN单结太阳能电池的短路电流、开路电压、转换效率等性能的影响，还计算了在欧姆接触不好的情况下，p-InGaN层厚度对InGaN太阳电池的影响，讨论了其物理机制，研究发现较薄的p-InGaN层有利于电池性能的提高。所以，在实际的p-i-n结构InGaN电池制备中应该适当减小p-InGaN层厚度。

2 模拟计算所采用的器件结构及参数

图1是本文模拟所采用的p-i-n结构InGaN电池示意图，包括p-InGaN层、i-InGaN层(弱n型)和n+-InGaN层，光从正面入射。考虑到实际的材料情况，在本文的模拟计算中，所有InGaN层的禁带宽度都为1.5 eV，i-InGaN层的载流子(电子)浓度固定为1×1017cm-3，n+-InGaN层的载流子浓度都固定为3×1018cm-3，p-GaN层的载流子浓度固定为1×1017cm-3。我们采用美国宾州大学提供的AMPS(Analysis of microelectronic and photonic structures)软件对器件性能进行模拟计算，该软件通过求解泊松方程和连续性方程，能够对半导体器件的特性进行准确分析[10-11]，对半导体太阳电池而言，更是对其特性进行分析的有力工具。在模拟计算过程中，我们主要研究了p-InGaN层厚度对结构太阳电池的短路电流、开路电压、转换效率等性能的影响，还比较了p-InGaN厚度在不同欧姆接触情况下对太阳电池性能的影响，分析了其物理机制。研究发现，适当减薄p-InGaN层厚度有利于电池效率的提高。

图1 模拟计算中所采用的p-i-n结构InGaN太阳能电池示意图

Fig.1 Schematic diagram of p-i-n structure InGaN solar cell in this work

3 结果与讨论

本文首先研究了欧姆接触很好的情况下p-InGaN层厚度对p-i-n结构太阳电池的影响，然后研究了欧姆接触性能对太阳电池的影响规律，对其物理机制进行了讨论。

3.1 p-InGaN欧姆接触良好情况下对InGaN太阳电池的影响

我们研究了金属与p-InGaN层形成良好的欧姆接触时的太阳电池性能(金属与p-InGaN势垒高度几乎等于0)。图2是电池转换效率与p-InGaN层厚度的关系。可以看出，当p-InGaN厚度为20 nm时，电池的效率为最大，达到了20.732%。当p-InGaN层的厚度为50，100，200，300 nm时，对应的电池效率分别为19.771%、16.042%、10.319%、7.477%。也就是说，当p-InGaN层厚度进一步增加时，电池效率却在下降。从图2的计算结果可以得出结论：电池的效率随着p-InGaN层厚度的增加而下降，薄层p-InGaN有利于高效率InGaN太阳电池的研制。我们还研究了p-InGaN层厚度对InGaN太阳电池的短路电流和开路电压的影响。如图3所示，当p-InGaN层的厚度为20，50，100，200，300 nm时，对应的短路电流密度分别为24.442，24.027，21.805，13.679，9.324 mA/cm2。可以看出，随着p-InGaN层厚度的增加，短路电流基本上呈下降趋势。而开路电压则不一样，当p-InGaN层的厚度为20，50，100，200，300 nm时，对应的开路电压分别为0.997，1.02，1.041，1.053，1.056 V，随着p-InGaN层厚度的增加，开路电压基本变化不大。结合图2和图3的研究结果，可以得出结论：随着p-InGaN层厚度的增加，开路电压变化非常小，但是短路电流逐渐下降，所以转换效率下降，适当减薄p-InGaN层厚度有利于获得高效率InGaN太阳电池。我们这里要强调的是：p-InGaN层不能无限减薄，如果p-InGaN层厚度减小到0，这个p-i-n结构就变成了肖特基结构。我们对该结构也进行了研究，其电池转换效率仅为0.159%，主要是开路电压太小，仅为0.022 V。

图2 InGaN太阳电池转换效率与p-InGaN层厚度的关系

Fig.2 Dependence of the conversion efficiency of InGaN solar cells on the p-InGaN layer thickness

图3 InGaN太阳电池的短路电流密度和开路电压与p-InGaN层厚度的关系

Fig.3 Dependence of the short-circuit current density and open-circuit voltage of InGaN solar cells on the thickness of p-InGaN layer

为了揭示p-InGaN层厚度对InGaN电池性能影响的物理机制，我们研究了其能带结构。图4是p-InGaN层厚度分别为20 nm和300 nm时的导带结构图。从图中可以看出：费米能级的差值(此时约等于导带的能量差值)与p-InGaN层厚度关系不大。一般来说，半导体太阳电池的最大开路电压基本上等于费米能级的差值[12]，所以随着p-InGaN层厚度的增加，开路电压变化很小。而短路电流则不同，当p-InGaN层比较薄时，绝大部分光生电子空穴对都在电场区，从而被内建电场分开，也能形成较大的光电流；而当p-InGaN层较厚时，电场区离表面还有一段距离[13]，这样很多光生载流子不能扩散到电场区，也就不能形成光电流，此时电池的短路电流就会很小。所以随着p-InGaN层厚度的增加，短路电流逐渐减小，整体转换效率降低。

图4 p-InGaN层厚度分别为20 nm和300 nm时的InGaN太阳电池导带结构

Fig.4 Conduction band structure of InGaN solar cells with different p-InGaN thickness of 20 nm and 300 nm, respectively.

3.2 p-InGaN欧姆接触不好情况下对InGaN太阳电池的影响

由于高质量的p-InGaN材料生长十分困难，所以p-InGaN欧姆接触的实现难度也很大。考虑到在实际的器件制备中，金属与p-InGaN之间不一定形成良好的欧姆接触，我们也研究了欧姆接触不好的情况下，p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响。

图5为不同接触势垒情况下，p-i-n结构InGaN太阳电池的转换效率与p-InGaN层厚度的关系。可以看出，无论欧姆接触好坏，随着p-InGaN层厚度的增加，InGaN电池的效率都在降低。但是欧姆接触特性对InGaN电池的转换效率也有显著影响。以p-InGaN层的厚度20 nm为例，当金属与p-InGaN层接触的势垒高度为0时，此时欧姆接触特性非常好，电池的转换效率也达到了20.732%；当金属与p-InGaN层接触的势垒高度为0.2 eV时，电池的转换效率降低到了16.151%；当金属与p-InGaN层接触的势垒高度为0.5 eV时，此时欧姆接触特性非常差，已经成了肖特基结，电池的转换效率也降低到了9.383%。可见欧姆接触特性对p-i-n结构InGaN电池的转换效率有重要影响。

图5 不同接触势垒情况下，InGaN太阳电池的转换效率与p-InGaN层厚度的关系。

Fig.5 Dependence of the conversion efficiency on p-InGaN thickness under different contact barriers

图6为不同接触势垒情况下的InGaN电池的短路电流与p-InGaN层厚度的关系。可以看出，无论欧姆接触情况好坏，随着p-InGaN厚度的增加，InGaN电池的短路电流都在下降，但是下降的程度与欧姆接触特性好坏紧密相关。在p-InGaN层厚度为20 nm的情况下，当接触势垒分别为0，0.2，0.5 eV时，对应的短路电流密度分别为24.442，24.173，24.355 mA/cm2，此时基本上没有太大差别。在p-InGaN层厚度为300 nm的情况下，当接触势垒分别为0，0.2，0.5 eV时，对应的短路电流密度分别为9.324，6.014，5.109 mA/cm2，此时的短路电流密度随接触势垒的增大而下降明显。可见欧姆接触不好会大大降低短路电流，从而破坏器件的性能。

图6 不同接触势垒情况下，InGaN电池的短路电流密度与p-InGaN层厚度的关系。

Fig.6 Dependence of the short-circuit current density on p-InGaN thickness under different contact barriers

图7 不同接触势垒情况下，InGaN电池的开路电压与p-InGaN层厚度的关系。

Fig.7 Dependence of the open-circuit voltage on p-InGaN thickness under different contact barriers

我们还研究了不同欧姆接触情况下InGaN电池的开路电压与p-InGaN层厚度的关系，如图7所示。无论欧姆接触特性如何，随着p-InGaN层厚度的增加，开路电压都有所增加，但是增加程度与欧姆接触特性紧密相关。当接触势垒为0 eV，p-InGaN层厚度为20，50，100，200，300 nm时，相应的开路电压分别为0.997，1.02，1.041，1.053，1.056 V，此时增加幅度很小。当接触势垒为0.2 eV，p-InGaN层厚度为20，50，100，200，300 nm时，相应的开路电压分别为0.80，0.839，0.986，1.03，1.038 V，此时开路电压的增加已比较明显。当接触势垒为0.5 eV，p-InGaN层厚度为20，50，100，200，300 nm时，相应的开路电压分别为0.50，0.539，0.744，0.882，0.892 V，开路电压随p-InGaN层厚度的增加而显著增大。另外，欧姆接触特性对开路电压的影响也很大，在p-InGaN层厚度为20 nm的情况下，当接触势垒分别为0，0.2，0.5 eV时，对应的开路电压分别为0.997，0.80，0.50 V，此时开路电压差别很大；而在p-InGaN层厚度为300 nm的情况下，当接触势垒分别为0，0.2，0.5 eV时，对应的开路电压分别为1.056，1.038，0.892 V，此时开路电压差别变小。

图8 接触势垒为0.5 eV时，不同p-InGaN层厚度的器件的导带结构。

Fig.8 Conduction band of InGaN solar cells with different p-InGaN thickness, where the metal to p-InGaN contact barrier is 0.5 eV.

我们研究了p-InGaN欧姆接触特性不好情况下InGaN太阳电池的能带结构。图8为接触势垒为0.5 eV，p-InGaN层厚度分别为20，100，300 nm时器件的导带结构图。当p-InGaN层厚度为300 nm时，金属与p-InGaN表面形成了很强的电场，这个电场与p-i-n结区的内建电场方向相反，那么这两个电场区形成的光电流方向也相反，所以此时的短路电流很小。当p-InGaN层厚度为100 nm时，金属与p-InGaN表面形成的电场被消弱了很多，此时的短路电流相对增加。当p-InGaN继续减小到20 nm时，p-InGaN表面电场基本消除，所以此时的短路电流最大。另外，从图8的能带结构也可以看出，p-i-n结区的内建电势随着p-InGaN层的厚度增加而增大，也说明p-InGaN层较厚时的开路电压更高。

结合图5～8的结果来看，欧姆接触对p-i-n结构InGaN太阳电池效率的影响主要是减小了短路电流所致，而且随着p-InGaN层厚度的增加，短路电流下降更多。为了获得较高效率的InGaN太阳电池，应该适当减小p-InGaN层厚度。

4 结论

通过模拟计算，主要研究了p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN单结太阳能电池的短路电流、开路电压、转换效率等性能的影响，并讨论了其物理机制。研究发现，良好的p-GaN层欧姆接触特性能够得到高性能的InGaN太阳电池，无论欧姆接触特性好坏，较薄的p-InGaN层均有利于电池性能的提高。因此，在实际的p-i-n结构InGaN电池制备中，不仅需要改善欧姆接触特性，而且应该适当减小p-InGaN层厚度。

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Effect of p-InGaN Layer Thickness on The Performance of p-i-n InGaN Solar Cells

ZHOU Mei1, ZHAO De-gang2*

(1.DepartmentofPhysics,CollegeofScience,ChinaAgricultureUniversity,Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:dgzhao@red.semi.ac.cn

The effects of p-InGaN layer thickness on the performance of p-i-n structure InGaN solar cells were investigated. Through theory calculation, it is found that the conversion efficiency of InGaN solar cells decreases with the increasing of p-InGaN thickness. The poor Ohmic contact properties of metal to p-InGaN also have a negative effect on the performance of InGaN solar cells. The short-circuit current reduces obviously with the increasing of p-InGaN thickness, simultaneously the conversion efficiency of InGaN solar cells decreases. The performance of InGaN solar cell could be improved by employing a relatively thin p-InGaN layer.

InGaN; solar cell; p-i-n structure