In组分梯度渐变的n-i-p结构InGaN太阳能电池性能研究

鲁　麟,李明潮,许福军,江　明,陈其工

（1.安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000；2.安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室，安徽芜湖 241000；3.北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心，北京 100871）

In组分梯度渐变的n-i-p结构InGaN太阳能电池性能研究

鲁麟1,2*,李明潮1,2,许福军3,江明1,2,陈其工1,2

（1.安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖 241000；
2.安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室，安徽芜湖 241000；3.北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心，北京 100871）

为了优化InGaN太阳能电池结构并有效地指导实际电池的制备，研究了n-i-p（p层在下）In组分梯度渐变结构的InGaN太阳能电池的性能特征。通过APSYS软件模拟计算，对比采用p-i-n渐变结构（p层在上）和n-i-p渐变结构（p层在下）的InGaN太阳能电池的器件性能。结果表明，采用n-i-p渐变结构的InGaN电池，i-InGaN层在低In组分下没有明显的优势，而在高In组分下的器件性能较好。在In组分为0.62时，转换效率最高达到8.48%。分析表明，p层在下的n-i-p渐变结构使得InGaN电池的极化电场与耗尽区的内建电场方向一致，有利于载流子的输运。采用n-i-p渐变结构有利于制备高性能的InGaN太阳能电池。

InGaN；太阳能电池；n-i-p结构

1 引 言

Ⅲ族氮化物半导体具有十分优异的光电性能，被誉为第三代半导体的典型代表。作为氮化物中最为重要的三元合金之一，InxGa1-xN是直接带隙半导体，能通过改变In组分实现带隙宽度从0.63 eV（InN）到3.4 eV（GaN）之间连续可调，其光谱吸收范围从红外波段1 770 nm到紫外波段365 nm，基本覆盖整个太阳光谱。此外，InGaN还具有较高的载流子迁移率、优异的抗辐射特性和热稳定性［1］，具有高达105cm-1的吸收系数［2］。这些优异的特性使得InGaN成为太阳能电池的理想材料之一。

在实际的器件结构外延制备中，Ⅲ族氮化物面临着很多问题和挑战。虽然提高In组分能够降低InGaN带隙宽度，提高在长波段的吸收效率，但是高In组分InGaN材料在MBE和MOCVD生长过程中都能观察到相分离现象［3-4］，在材料中引入大量缺陷，导致InGaN合金晶体质量较差。此外，在蓝宝石［0001］方向生长的InGaN/ GaN结构具有很强的自发极化和压电极化，并且随着In组分的增加，会导致极化效应的加剧。由于这些因素，目前国内外已经报道的各种InGaN电池的转换效率并不理想，普遍在1%～3%左右［5-8］，距离应用相差甚远。Cai等对比研究了具有相同耗尽区宽度p-i-n型同质结和异质结太阳能电池特性，发现异质结电池性能相比同质结性能较好［9］。而Wierer等则认为采用InGaN/GaN异质结，会在接触面增加压电极化和非辐射复合中心，而InGaN同质结的p-i-n结构能减少压电极化和非辐射复合中心，延长载流子寿命，提高短路电流［10］。通过增加在低In组分下耗尽区两端的掺杂浓度［11］和在p区、n区分别插入组分渐变层［12］等方式能有效减少极化效应对InGaN电池性能的负面影响。Connelly等则通过泵浦探测技术和太赫兹时域光谱仪观察发现，采用p层在下的n-i-p结构的In0.3Ga0.7N电池的极化效应确实有助于增强载流子输运［13］。基于以上的研究现状，本文对比研究了p-i-n和n-i-p构型基础上的渐变结构InGaN/GaN异质结电池，比较了两者性能的差异，分析了极化效应对电池性能的影响。

本文通过Crosslight公司的APSYS软件分别建立p-i-n（p层在上）渐变结构和n-i-p（p层在下）渐变结构的InGaN/GaN异质结模型进行模拟和计算。APSYS内置许多模型，如漂移-扩散模型、非局域隧穿模型、异质结模型、多层光学模型、光线追踪模型等，能对半导体器件中的物理过程进行准确描述。本研究主要是采用APSYS二维有限元方法对半导体异质结模型和多层光学模型进行数值分析，基于载流子的漂移-扩散模型，运用牛顿迭代法自洽求解泊松方程和电子、空穴的连续性方程，对载流子的输运行为进行数值精确求解，能够获得InGaN太阳能电池结构的各种性质，包括I-V曲线、能带结构、电子和空穴的密度分布，以及电势、电场、电流的分布等。

图1　InGaN/GaN太阳能电池示意图。（a）p-i-n渐变结构；（b）n-i-p渐变结构。Fig.1 Schematic diagrams of InGaN/GaN solar cell with graded In composition.（a）p-i-n structure.（b）ni-p structure.

2 模拟计算所采用的器件结构及参数

图1是本文模拟分别所采用的p-i-n渐变结构和n-i-p渐变结构的InGaN/GaN电池示意图，主要包括p-GaN层、i-InGaN层和n-GaN层，它们具有相同的几何尺寸。考虑到在GaN上生长较厚的高In组分的高质量InGaN是极其困难的［14-15］，我们选择i-InGaN本征层厚150 nm、窗口层厚50 nm、底层厚度3 μm。由于蓝宝石衬底厚度不影响器件性能，所以为了计算方便，这里设为100 nm厚。渐变层组分由本征层向两侧以每8 nm降低30%的梯度变化。AM1.5的太阳光从正面入射，为使数据更贴近实际情况，表面反射率设为18%。n-GaN层电子浓度为5×1018/cm3，p-GaN层空穴浓度为5×1017/cm3。为了更集中探讨极化效应的影响，InGaN层的SRH复合的载流子寿命设置为1 ns［16-17］。考虑到对于实际制作的器件来说，自由电荷、激子及材料内部的缺陷都会对极化电场产生影响，极化电场通常会被部分屏蔽［18］，故在模拟仿真中设置极化效应的程度值为0.9。本文系统研究了i-InGaN中不同In组分在这两种结构中极化效应对InGaN/GaN电池的短路电流、开路电压、转换效率等性能参数的影响，并分析了其物理机制。

3 计算结果与讨论

3.1低In组分下结构不同对InGaN电池性能的影响

我们首先研究了i-InGaN层中In组分较低的情况。计算所选择的In组分为0.12，其对应的pi-n渐变结构和n-i-p渐变结构的InGaN电池的IV输出特性参数分别归纳于表1。

表1　不同结构InGaN电池的性能参数Tab.1 Summarized parameters for the two different structures

其中Jsc、Voc、FF、Pmax、浊分别为短路电流密度、开路电压、填充因子、最大输出功率、转换效率。从表1中可以看到，p-i-n渐变结构的短路电流较大。由于电池中InGaN有源区对太阳光的吸收强度是按指数衰减的，越靠近迎光面吸收的光子越多，所以大量的光生载流子在迎光面产生。p-i-n渐变结构采用p层作为窗口层，空穴传输到p层所需的路径短；而电子虽然传输距离长，但由于电子迁移率大，所以损失较小。而在GaN上外延生长InGaN，由于晶格失配，导致InGaN层在（0001）面上受到压应力；在压应变的情况下，自发极化与压电极化方向相反。一般在器件结构中所用的沿［0001］方向生长的GaN都是Ga极性的，应变基本是完全弛豫的，故InGaN/GaN的极化电场方向如图2所示。

图2　Ga极性InGaN/GaN中压电极化和自发极化的方向Fig.2 Direction of piezoelectric polarization（PZ）and spontaneous polarization（SP）in Ga polar InGaN/GaN solar cells

图3　i-InGaN层中In组分为0.12时的不同结构的能带图。（a）p-i-n渐变结构；（b）n-i-p渐变结构。Fig.3 Band diagrams of the solar cell with graded In composition for the case of i-In0.12Ga0.88N.（a）p-i-n structure.（b）n-i-p structure.

p-i-n渐变结构的自发极化电场与内建电场的方向相反，将削弱内建电场的强度。在图3中分别展示了In组分为0.12时的两种结构在光照后处于稳态的能带图。对于异质结，能带在界面处一般是不连续的，会有“带阶”（Offset）的出现，不同外延层之间有明显的尖峰，产生附加势垒；而结构中插入组分渐变层，能够有效降低GaN与InGaN本征层的晶格失配，减小应力，使势垒呈类台阶状，有利于载流子在吸收层中的输送，提高短路电流。从图3中可以看出，两种结构本征层的能带都保持了相对较大的倾斜度，意味着吸收层有足够的净电场强度使得载流子分离。而采用n层为窗口层的n-i-p渐变结构，由于空穴在耗尽层中的漂移路径变长，且低In组分下其极化电场强度较弱，所以对增强载流子漂移的贡献有限。因此，n-i-p渐变结构InGaN电池的短路电流小于pi-n渐变结构。

一般而言，理论上最大的开路电压是由PN结的内建电势差所决定的。而内建电势差的大小是耗尽区的电场强度对位置的积分，在耗尽区宽度相同的情况下，意味着电场强度越大开路电压越大。通过提取数据，我们得到p-i-n渐变结构的本征层电场强度为1.79×105V/cm左右，而n-ip渐变结构的本征层电场强度为1.93×105V/cm左右。故p-i-n渐变结构由于耗尽区净电场强度的减弱导致开路电压比n-i-p渐变结构小一些。

可以发现，在In组分为0.12、极化效应不是很强时，p-i-n渐变结构的短路电流较大，但采用n-i-p渐变结构的开路电压较高。而从整个器件性能来看，p-i-n渐变结构的InGaN电池的转换效率仅比ni-p渐变结构高0.1%。可见，在低In组分下，n-i-p渐变结构的InGaN电池并没有明显的优势。

3.2高In组分下的结构对InGaN电池性能的影响

电池效率的提高，需要扩展电池的光谱响应来与太阳光谱更加匹配，这就要求优化InGaN吸收层的In组分。我们进一步对比研究了当In组分由0.12逐渐提高至0.92时，两种结构的性能表现，电池转换效率与In组分的关系如图4所示。从图中可以发现，p-i-n渐变结构的转换效率在In组分为0.17后急速衰减，而n-i-p渐变结构的效率随In组分的增加先提高后逐渐降低，在In组分为0.62时达到峰值8.48%。

我们详细对比了In组分0.22下两种结构在光照后处于稳态的能带图，如图5所示。从图5中可以看到，p-i-n渐变结构的本征层能带几乎被拉平，耗尽区的电场强度很弱。而n-i-p渐变结构的本征层仍然保持着较大的倾斜度，表明耗尽区有足够大的净电场强度。

图4　不同In组分器件的转换效率Fig.4 Dependence of the conversion efficiency on different In composition

图5　i-InGaN层中In组分为0.22时的不同结构的能带图。（a）p-i-n渐变结构；（b）n-i-p渐变结构。Fig.5 Band diagrams of the solar cell with graded In composition for the case of i-In0.22Ga0.78N.（a）p-i-n structure.（b）n-i-p structure.

我们也注意到，对于n-i-p渐变结构的InGaN电池，其转换效率并没有随着In组分增加而一直提高。我们又分别计算了n-i-p渐变结构在In组分分别为0.52、0.62、0.72时的I-V特性曲线，如图6所示。可以发现In组分的增加提高了短路电流的同时开路电压却在快速降低。

如前所述，PN结的内建电势差决定开路电压的极限值。而内建电压Vd与半导体的禁带宽度Eg、导带能级Ec、价带能级Ev以及费米能级Ef之间的关系如式（1）所示：

式中，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，NA、ND为p区、n区掺杂浓度，ni为本征载流子浓度。由式（1）可知，开路电压的理论上限由材料的禁带宽度决定，等于电子准费米能级（EFn）和空穴准费米能级（EFp）的差值。一方面，提高In组分意味着InGaN带隙变窄，Eg的减小使本征载流子浓度ni急剧增加，使得开路电压降低；另一方面，In组分的提高会极大改变耗尽层的净电场强度。耗尽层的总电场不仅取决于PN结内建电场，还主要包括极化电荷产生的极化电场。对于n-i-p渐变结构InGaN电池，压电极化的方向与内建电场方向相反。根据Vegard定律，InGaN材料的压电极化大小可表示为［19］：

其中：

着是c面内的应变，In组分越高则InGaN与GaN的晶格失配越大，着越大。由式（2）可知，应变增大会导致压电极化电场增强，进一步削弱耗尽区内自发极化产生的电场。因此，整个耗尽区的净电场强度是减小的，开路电压也会随之降低。值得注意的是，尽管提高In组分会引起输出电压的减少，但是由于InGaN带隙变窄，使得更多的低能光子被吸收，吸收响应光谱向长波段移动（即红移），导致短路电流增加。

上述计算结果表明，在相对高的In组分下，采用n-i-p渐变结构的InGaN电池器件性能是具有明显优势的。而综合来看，本征层的In组分不能太大也不能太小，需要通过优化In组分来权衡开路电压与电池有效光吸收之间的关系，从而提高电池的性能。

图6　不同In组分的n-i-p渐变结构电池的I-V特性曲线Fig.6 I-V curves of n-i-p solar cell with different In composition in i-InGaN layer

4 结 论

通过模拟计算，对比研究了p-i-n渐变结构和ni-p渐变结构的InGaN电池i-InGaN层采用低In组分和高In组分时的器件性能，并讨论分析了其物理机制。研究发现，采用n-i-p渐变结构InGaN电池在低In组分下没有明显的优势，但是在高In组分下器件性能较好。当In组分为0.62时，转换效率达到8.48%。InGaN电池采用n层作为窗口层的设计使得极化电场的方向与耗尽层的内电场一致，有利于载流子的输运。研究结果表明，采用n-i-p渐变结构有利于制备高性能的InGaN太阳能电池。

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鲁麟（1980-），男，安徽芜湖人，博士，副教授，2009年于北京大学获得博士学位，主要从事Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体光电子材料及器件的研究。

E-mail：llu-wh@qq.com

n-i-p Type InGaN Solar Cells with Graded In Composition

LU Lin1，2*，LI Ming-chao1，2，XU Fu-jun3，JIANG Ming1，2，CHEN Qi-gong1，2
（1.College of Electrical Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；2.Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；3.Research Center for Wide Gap Semiconductor，School of Physics，Peking University，Beijing 100871，China）
*Corresponding Author，E-mail：llu-wh@qq.com

In order to optimize InGaN solar cell（SC）structures and effectively guide the preparation，the properties of n-i-p InGaN SC structures with graded In composition were investigated. Through APSYS simulation software，the performances of p-i-n and n-i-p SC structures with graded In composition were compared.It is found that n-i-p structures don't have obvious advantage in the device performance over p-i-n ones when In composition of i-InGaN layer is low，which yet presents better performance with higher In composition.When In composition is 0.62，the SC conversion efficiency reaches 8.48%.The further analysis indicates that the polarization electric field in InGaN layer has the same directions with the built-in one in the depletion region for the case of n-i-p SC structures，which is very beneficial for carrier transport.The n-i-p SC structures with graded In composition are proven to be beneficial for high performance InGaN SCs.

InGaN；solar cell；n-i-p structure

TN304.2

A

10.3788/fgxb20163706.0682

1000-7032（2016）06-0682-06

2016-01-14；

2016-04-03

国家自然科学基金（61306108）；教育部留学回国人员科研启动基金（2013693）资助项目